基于响应面法的船舶结构轻量化研究

发布时间：2017-05-18 08:04

  本文关键词：基于响应面法的船舶结构轻量化研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着我国经济的快速发展，环境问题日益凸显，近年来更是出现了严重的雾霾天气，呼吸新鲜空气都变成了一种奢望。船舶作为主要的交通运输工具之一，减轻船舶重量便能减少耗油量和污染物的排放量，从而起到保护环境的作用，因此船舶轻量化研究越来越受到研究人员的重视。 目前在船舶结构轻量化的研究中主要有两种方法：规范法和直接计算法。规范法只利用规范进行结构优化，计算精度较低；依靠集成软件的直接计算法每次迭代都要进行一次有限元分析，计算效率低；通过构造函数的直接计算法可以提高计算精度和效率，但现有的研究中只考虑了船舶的静态特性，没有将船舶动态特性考虑在内。因此，在同时考虑船舶静态和动态特性的情况下，将响应面法引入到船舶结构轻量化研究中，，结合有限元法、响应面法、设计规范以及优化方法，对货船的船舱进行了结构轻量化研究。完成的主要工作如下： (1)在总结国内外船舶轻量化研究的基础上，将响应面法、有限元法、设计规范以及优化方法加以融合，制定了具体的船舶轻量化研究方案。 (2)针对50m货船的船舱，建立了船舱的三维有限元模型，计算了在最危险工况下船舱所受的端面弯矩、舷外水压力和货物载荷。对船舶进行了舱段结构强度计算，得到了船舱各构件的最大等效应力和剪应力数值，并且得到了船舱的等效应力云图和剪应力云图，分析结果表明船舱的最大等效应力和剪应力均出现在角隅处，但没有超过规范规定的许用应力，有一定的优化空间。 (3)采用刘易斯法对船舶附连水质量进行了计算，得到了第1阶垂向弯曲振动附连水质量、第2阶垂向弯曲振动附连水质量以及第1阶水平弯曲振动附连水质量。采用船舶杂交有限元模型(船头和船尾采用一维模型，船舱采用三维模型)，并施加附连水质量后对船舶船舱进行了模态分析，得到了船舱的前三阶的固有频率、振型和模态应力云图。结果表明船舱的前三阶振型分别为2节点垂向弯曲振动、扭转振动和3节点垂向弯曲振动，并且前三阶固有频率均远离主机和螺旋桨的工作频率，避免了船舶发生共振。 (4)利用参数灵敏度分析方法，分析了船舱最大等效应力、最大剪应力、第1阶振动(垂向弯曲振动)频率、第2阶振动(扭转振动)频率和第3阶振动(垂向弯曲振动)频率船舱相对于15组构件的灵敏度，选出了对应于若干个大灵敏度的7组构件厚度参数作为构造响应面函数的设计变量。 (5)利用Box-Behnken试验设计方法安排试验，然后按照试验方案进行有限元分析获取试验数据，以试验数据为基础构造了船舱等效应力响应面函数、剪应力响应面函数、第1阶振动(垂向弯曲振动)频率响应面函数、第2阶振动(扭转振动)频率响应面函数和第3阶振动(垂向弯曲振动)频率响应面函数。用相关系数、校正系数、变异系数等对这5种响应面函数进行拟合度检验，检验结果表明响应面模型和实物模型的逼近度很高。此外，随机抽取样本作为响应面函数的检验样本，将响应面函数计算的结果与有限元计算的结果进行了对比，结果表明构造的5种响应面模型的精确度较高，能很好地反映试验值。 (6)以船舶规范规定的构件最小尺寸作为尺寸约束条件，以规范对应力和频率的要求作为船舶性能的约束条件，以船舶质量最轻为目标，通过调用5个计算船舶应力和频率的响应面函数，采用序列二次规划法对船舱进行了结构优化，优化后，船舱质量降低了6.01%。采用有限元法对优化后的船舶结构进行了分析，结果表明优化后的船舶结构应力符合规范要求，而且前三阶固有频率远离螺旋桨和主机的工作频率。因此，在满足船舶静动态性能的情况下，船舶的重量得以降低，达到了船舶结构轻量化研究的目的。
【关键词】：船舱 静态特性 动态特性 有限元 灵敏度分析 试验设计 响应面法 序列二次规划法 优化
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U662
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 研究背景及意义12-13
• 1.2 轻量化分类13-14
• 1.3 船舶轻量化研究现状14-17
• 1.3.1 规范法14-15
• 1.3.2 直接计算法15-17
• 1.4 响应面法研究现状17-18
• 1.5 研究对象的确定18
• 1.6 主要研究工作18-22
• 第二章 船舶有限元静力分析22-36
• 2.1 船舶有限元静力分析22-28
• 2.1.1 船舶总纵强度22-23
• 2.1.2 有限元模型的确定23
• 2.1.3 网格划分23-24
• 2.1.4 载荷计算24-27
• 2.1.5 载荷施加27
• 2.1.6 边界条件27-28
• 2.2 船舱有限元静力分析实例28-35
• 2.2.1 船舶主要尺寸及参数28-30
• 2.2.2 船舱静力分析模型30-31
• 2.2.3 舱段静强度计算结果31-35
• 2.3 小结35-36
• 第三章 船舶有限元动力学分析36-50
• 3.1 动力学分析有限元法36-37
• 3.2 船舶振动模型分类37-38
• 3.3 船舶振动类型38
• 3.4 附连水质量38-41
• 3.5 船舱有限元模态分析实例41-49
• 3.5.1 船舱模态分析模型41-42
• 3.5.2 附连水质量计算42-44
• 3.5.3 频率禁区44-46
• 3.5.4 舱段模态分析结果46-49
• 3.6 小结49-50
• 第四章 船舶响应面函数构造50-70
• 4.1 响应面函数选取和拟合50-53
• 4.2 Box-Behnken 试验设计53-54
• 4.3 响应面函数的评价54-56
• 4.4 灵敏度分析56-57
• 4.5 响应面构造实例57-69
• 4.5.1 船舱结构灵敏度分析57-62
• 4.5.2 响应面函数构造与检验62-69
• 4.6 小结69-70
• 第五章 船舶结构优化70-82
• 5.1 序列二次规划法70-71
• 5.2 序列二次规划法的实现71-72
• 5.3 船舱优化实例72-80
• 5.3.1 船舱结构优化72-77
• 5.3.2 优化后船舶强度和动态特性77-80
• 5.4 小结80-82
• 第六章 结论与展望82-84
• 6.1 结论82-83
• 6.2 创新点83
• 6.3 展望83-84
• 参考文献84-88
• 致谢88-90
• 附录90-92
• 附表92-100

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 刘志祥;曾超珍;;响应面法在发酵培养基优化中的应用[J];北方园艺;2009年02期

2 李仲伟,吴有生,崔维成;基于有限元法的小水线面双体船结构优化[J];船舶力学;2005年02期

3 李桂华;熊飞;龙江启;;车身材料轻量化及其新技术的应用[J];材料开发与应用;2009年02期

4 吕大刚;贾明明;李刚;;结构可靠度分析的均匀设计响应面法[J];工程力学;2011年07期

5 窦毅芳;刘飞;张为华;;响应面建模方法的比较分析[J];工程设计学报;2007年05期

6 张华孝,寿纪麟;向量极值问题与序列仿凹规划的Lagrange乘子定理及Kuhn—Tucker条件[J];工程数学学报;1986年02期

7 杨忠民;;船舶规范标准发展与创新[J];舰船科学技术;2009年05期

8 黄重阳;林焰;于雁云;;基于响应面法的强力甲板结构优化设计[J];中国舰船研究;2012年03期

9 杨进;向东;姜立峰;段广洪;;基于响应面法的汽车车架耐撞性优化[J];机械强度;2010年05期

10 陈晓;王新民;周健;;基于序列二次规划法优化无人机飞行性能[J];计算机仿真;2012年12期

  本文关键词：基于响应面法的船舶结构轻量化研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：375481