船舶舷侧结构的抗爆性能研究及优化设计

发布时间：2017-07-27 11:17

  本文关键词：船舶舷侧结构的抗爆性能研究及优化设计

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【摘要】：随着国防科技的快速发展，各种水面作战武器的打击力度及打击精度都大幅提高，打击手段也不断丰富，在一线服役的舰船遭受武器攻击和破坏的风险随之不断升高。为了能够对水下兵器的攻击做出有效的防护，保证水面舰船在受到攻击后仍然保有生命力，各个国家都在积极地开展水下爆炸载荷作用机理、结构在水下爆炸作用下的响应机理以及结构抗冲击性能理论、优化设计等领域的理论及实验研究，并不断探索和提出新型的抗冲击舷侧结构。 舰船舷侧结构在遭受水下爆炸载荷作用时，会在很短的时间内发生非常复杂的非线性动态响应，是一个强非线性问题。想要通过数学模型来得到此类复杂问题的解析解是非常困难的，同时，试验研究也受限于其试验本身的不确定性和资金问题，无法大规模应用。在这样的背景之下，本文采用数值仿真试验的方法，既解决了数学模型求解难的问题，也不存在过多资金成本的问题，从爆炸载荷特性、不同形式的舷侧结构对载荷的响应以及舷侧结构的优化设计几个方面入手对水下爆炸载荷下的船舶结构响应以及优化设计进行了研究，并讨论了不同形式结构抗爆性能的差异。 本文首先在研究了炸药爆轰理论的基础上，采用库尔半理论半经验公式，，模拟了冲击波载荷在舰船舷侧结构上的作用，为计算结构的响应提供了理论基础。 在此基础上，本文通过显示非线性有限元求解技术，对结构简化模型的动态响应过程进行了仿真模拟，计算结果给出了结构在冲击波载荷下的加速度、速度、位移等结构响应以及各部分构件的吸能、比吸能水平等结构性能。同时，本文还从结构抗冲击性能的角度给出了三种具有抗冲击性能的舷侧结构设计，并针对每种设计对上述的动态响应进行了分析和比较。 结构的动态响应与结构的设计参数息息相关，结构的板厚布置、结构的形状设计都或许会很大程度地影响到结构的力学性能。为了探究结构中各个参数对结构抗冲击性能的影响，文章引入了试验设计对设计输入参数和结构响应输出的关系进行了研究。同时使用智能优化算法对结构进行尺寸和形状两个层面上的优化，得到满足约束条件的结构最优解。文章在优化过程中还引入了近似模型的概念，并以该模型来代替计算成本较高的有限元数值计算过程，很大程度地降低了优化设计方法中多次迭代造成的时间成本。 最后，文章给出了一个实际复杂问题的实例，对某舰船的三个舱段进行详细建模，并引入参数化建模技术，采用PYTHON语言编写可执行脚本，以便在优化过程中ABAQUS可以完成自动化建模过程。在优化模型中，分别以舷侧结构的形式和板厚作为设计对象，按照预期性能设定目标函数，进行单目标和多目标的优化，得到了可行的优化设计。
【关键词】：水下爆炸 舷侧结构 抗爆性能 优化设计
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U674.70
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 研究背景和研究目标12-14
• 1.2 国内外研究现状14-17
• 1.2.1 水下爆炸载荷研究现状14-15
• 1.2.2 水下爆炸载荷作用下的舰船结构动响应研究现状15-16
• 1.2.3 舰船抗冲击结构优化设计研究现状16-17
• 1.3 船舶优化设计需要解决的两个问题17-18
• 1.3.1 计算成本较高17
• 1.3.2 参数化建模较困难17-18
• 1.4 本文的主要研究内容18-20
• 第二章 水下爆炸载荷及计算方法研究20-31
• 2.1 引言20-21
• 2.2 冲击波及炸药爆轰基本理论21-25
• 2.2.1 冲击波理论21-23
• 2.2.2 爆轰波的 CJ 理论23-25
• 2.3 水下爆炸载荷的半理论半经验计算方法25-30
• 2.3.1 冲击波作用阶段26-28
• 2.3.2 气泡脉动阶段28-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第三章 船舶舷侧结构抗爆性能研究31-64
• 3.1 传统双壳舷侧结构水下爆炸载荷下的响应31-47
• 3.1.1 有限元模型概述32-34
• 3.1.2 模型响应34-47
• 3.2 具有抗冲击性能的舰船舷侧结构设计47-63
• 3.2.1 水平分叉型结构48-51
• 3.2.2 Y 型结构51-55
• 3.2.3 半圆型结构55-59
• 3.2.4 布置几种不同形式纵向隔板的舷侧对比59-63
• 3.3 本章小结63-64
• 第四章 船舶舷侧结构抗爆性能优化设计64-76
• 4.1 优化设计的基本概念64
• 4.2 优化算法64-65
• 4.3 优化流程65-67
• 4.4 具有抗冲击性能舰船舷侧结构的优化设计67-75
• 4.4.1 尺寸优化68-72
• 4.4.2 形状优化72-75
• 4.5 本章小结75-76
• 第五章 某舰船舷侧结构在水下爆炸载荷作用下的多目标优化76-93
• 5.1 引言76
• 5.2 船舯三舱段有限元模型76-77
• 5.3 优化数学模型77-81
• 5.3.1 优化设计变量78-80
• 5.3.2 约束条件80-81
• 5.3.3 目标函数81
• 5.3.4 优化问题的数学描述81
• 5.4 优化算法与实现途径81-89
• 5.4.1 遗传优化算法82-83
• 5.4.2 模型响应预报83-89
• 5.5 优化结果与分析89-92
• 5.5.1 板厚优化89-91
• 5.5.2 形状优化91
• 5.5.3 综合优化91-92
• 5.5.4 优化结果对比92
• 5.6 本章小结92-93
• 第六章 结束语93-95
• 参考文献95-99
• 致谢99-100
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文100

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：581142