加筋圆柱壳开孔围栏肘板拓扑优化设计

[目的]在水下耐压圆柱壳结构开孔围栏与环向肋骨连接处,易出现应力集中。[方法]为此,提出一种开孔围栏与环向肋骨连接肘板拓扑优化设计方法,以有效降低肘板区域的局部高应力。首先,采用子模型技术对连接肘板区域结构进行精细化应力分析;然后,以连接肘板为设计变量,考虑耐压壳板、围栏和肋骨特征点的应力约束,以肘板区域最大应力最小化为目标函数进行拓扑优化,并对拓扑优化结果进行工程化处理,得到最终的肘板形式。[结果]计算结果表明,面板局部加宽的肘板形式可以有效降低应力集中程度;开孔围栏位置横向偏置时,远离中纵剖面一侧的肘板面板加宽长度较大;连接肘板与开孔围栏中心偏置时,肘板面板关于其腹板对称设计即可。[结论]所做研究可为类似结构设计提供参考。     

邮轮典型开孔高腹板板架结构极限强度分析

[目的]开孔高腹板板架结构是在大型邮轮上层建筑中广泛使用的一类特殊结构,为建立此类结构的设计方法,需充分掌握大型邮轮上层建筑典型开孔高腹板板架结构的力学特性。[方法]综合运用经典加筋板理论与非线性有限元方法,分析甲板初始缺陷、纵桁规格、腹板开孔对板架纵向受压极限承载能力的影响规律。[结果]发现薄板板架对于初始缺陷更为敏感且不同于厚板板架的初始变形模式,纵桁对纵压极限能力贡献度较大,纵压极限承载能力对开孔比例、开孔形状敏感性较低,开孔位置决定崩溃破坏屈曲带的位置,进而揭示了开孔高腹板板架的破坏失效模式。[结论]所得甲板初始缺陷、纵桁几何尺寸、腹板开孔诸因素对开孔高腹板板架极限强度的影响规律,可为邮轮结构轻量化设计及安全性评估提供指导。     

舰船典型基座输入机械阻抗特性分析

为了提高水面舰船的声隐身性能,本文对典型的舰船基座结构开展研究。利用阻抗分析法研究了基座结构的输入机械阻抗对舰船声隐身性能的影响,基于有限元方法分析了典型舰船基座结构参数的变化对其输入机械阻抗的影响规律。研究表明:基座面板的厚度和隔振器的布置位置对机械阻抗的影响较大,腹板的厚度和高度、腹板开孔和开孔加强对机械阻抗的影响较小。研究所得的结果对舰船基座的设计有一定的指导意义。     

基于代理模型的水下结构物基座阻抗特性快速预报

[目的]基座结构的阻抗值直接影响水下结构物的隐蔽性能,通常借助有限元仿真获得基座阻抗特性。直接将阻抗有限元分析嵌套在基座优化设计中过于耗时,不利于优化设计,探究采用代理模型的方式直接拟合参数输入-阻抗输出的映射关系,取代有限元仿真,提高优化设计效率。[方法]选取水下结构物典型平台基座结构作为研究对象,首先计算分析其阻抗特性,然后分别通过4种常用代理模型(SVR,BPNN,RBF和Kriging)构造阻抗预报代理模型,对比分析其拟合精度。在此基础上,结合阻抗频响函数特性和工程实际,提出针对性的数据前处理方法,定量评估数据前处理方法对代理模型预报精度的提升效果。[结果]不同的代理模型在拟合平台基座阻抗特性精度上存在差异,其中Kriging代理模型在决定系数、标准化均方根误差和标准化最大绝对误差3项评价指标上均取得了最好的结果。基于前处理数据构建的代理模型与初始代理模型相比,标准化均方根误差和标准化最大绝对误差分别减小了9.80%和15.43%。[结论]Kriging代理模型对于拟合基座参数输入-阻抗输出的映射关系具备较好的适用性,提出的阻抗数据前处理方法可以进一步提高代理模型的预测精度。     

船舶舵机基座轻量化设计

[目的]研究将结构优化设计方法运用于船舶基座轻量化设计的流程及其效果。[方法]选用船舶常用舵机基座为研究对象,利用结构优化软件Hyperworks建立模型并进行优化设计。分析板厚对应力的灵敏度,通过将整体式基座改为柱状式基座并辅以尺寸优化以及拓扑优化手段,获取更为合理的基座形状、板厚分布以及减轻孔位置,从而最终获得最大的轻量化效果。[结果]结果表明:将整体式基座改为柱状式基座,能使该型基座减重12.61%;进一步进行尺寸优化后,该型基座取得了36.6%的减重效果;进行更进一步的拓扑优化后,该型基座更是取得了减重37.7%的显著效果。[结论]所提的轻量化设计流程和方法能为船舶辅助装置实际工程中的轻量化设计提供参考和思路。     

船舶基座阻尼材料敷设优化及实验研究

[目的]船舶基座结构是船舶减振的重要设备,为提高基座结构的减振效果,在结构表面敷设阻尼材料是常用手段。[方法]以基座结构的加速度振级落差为评价指标,应用各向正交惩罚材料密度法(SIMP),建立自由阻尼材料的拓扑优化数学模型。在优化模型中,其约束条件是确保在阻尼材料总使用量一定的情况下实现阻尼材料在基座结构表面的最优分布。最后,以某型船的主机基座为例,在建立的有限元模型的基础上,开展基座结构阻尼材料拓扑优化的数值计算,并利用基座模型实验的方法对拓扑优化数值计算结果进行实验验证。[结果]经验证,获得了阻尼材料的最优敷设方案。[结论]所得成果对船舶基座结构设计和复合材料的应用具有一定的参考价值。     

外置式耐压液舱实肋板拓扑和开孔尺寸优化

[目的]为了简化建造工艺和减轻液舱结构重量,对外置式耐压液舱实肋板结构进行拓扑优化和开孔尺寸优化设计。[方法]首先,利用Hyperworks/Optistruct对外置式耐压液舱整体模型进行结构应力分析。然后,在拓扑优化中,除与液舱壳板和耐压船体壳板相连的约100 mm长条状范围外,以实肋板其他范围内的单元密度为设计变量;以与实肋板相连的液舱壳板和船体壳板上结构的典型应力及实肋板体积分数为约束,以实肋板上最大Mises应力最小化为目标,针对满载和空舱两种工况,利用商用软件Hyperworks/Optistruct对实肋板结构进行拓扑优化。最后,基于Matlab和ANSYS联合优化,以实肋板上von Mises应力和剪应力为约束,以相应结构重量极小化为目标,对实肋板开孔进行尺寸优化,从而得到精细化开孔方案。[结果]拓扑优化结果表明,外置式耐压液舱实肋板开减轻孔应集中在中、下部。开孔尺寸优化结果表明,相比初始方案,实肋板剪应力增加38%,其他关注区域应力相当时,内部实肋板上结构重量可降低19%。[结论]两类优化设计均表明,外置式耐压液舱实肋板开减轻孔应集中在中下部,且从下到上开孔面积应逐渐减小。     

散货船顶边舱横隔板的拓扑优化设计

针对散货船顶边舱横隔板的设计主要靠母型船和工程师经验进行,以横隔板重量最轻为目标,参照原始设计的应力结果进行基于应力约束的拓扑优化。基于原始设计方案,去除顶边舱横隔板上的开孔面板、防倾肘板和屈曲筋,对结构进行细化后获得响应工况的应力作为拓扑优化的应力约束。分别对单个横隔板进行拓扑优化和对货舱内所有横隔板进行拓扑优化。基于拓扑优化结果,设计新的横隔板开孔方式并进行详细设计,并基于三舱段有限元计算对优化设计进行粗网格和细化分析校核。优化后的构型相对原始设计能获得更轻便的重量和更小的应力结果。本文的研究可以为散货船的拓扑优化、顶边舱横隔板的设计提供参考。     

内压下矩形耐压舱角隅结构形状和拓扑优化设计

为解决内压下矩形耐压舱角隅结构应力集中的问题,提出了角隅结构形状优化和拓扑优化的数学模型。采用子模型技术对结构进行精细化静强度应力分析,以角隅边界形状的变化作为设计变量,极小化角隅结构的应力,得到的最佳角隅形状为弧形。在此基础上,极小化角隅结构的应力,对耐压舱角隅肘板进行拓扑优化设计,寻求肘板材料的最优分布和管路铺设的空间,得到了具有内部圆形开孔和去掉三角形尖角的新型肘板结构。弧形角隅形状和开孔新型式的肘板有效地降低了角隅结构的应力集中。建议的方法可为类似结构的优化设计提供参考。     

提高船用阻尼材料应用效果的优化设计方法

基于模态应变能法及结构动力学优化理论,研究提高船用阻尼材料应用效果的多种方法。方法1是在满足所使用阻尼材料重量相同的条件下,首先对阻尼材料进行一定百分比的开孔,与同等重量的实心阻尼材料结构相比,贴敷开孔阻尼材料的结构损耗因子得到了提高;其次,以所用阻尼材料重量为优化目标函数,在满足给定的整体结构损耗因子约束条件下,建立贴敷阻尼材料复合悬臂板优化模型。方法2主要优化设计复合板不同区域阻尼材料的厚度值。方法3则主要针对复合板不同区域阻尼材料的分布进行拓扑优化设计,得出在给定复合板前3阶模态损耗因子约束条件下阻尼材料的最佳厚度值和拓扑分布。研究结果表明:阻尼材料上一定百分比的开孔可有效提高结构减振效果;通过重量目标函数及考虑损耗因子约束的阻尼材料结构厚度优化和拓扑分布优化,可以找到满足指定减振要求下阻尼材料用量最小的结构,且拓扑分布优化效果更好。     

基于参数等效法的敷设声学覆盖层的结构物水下低频声目标强度研究

采用参数等效方法计算了敷设声学覆盖层的结构物水下低频声目标强度。首先应用有限元模拟充水阻抗管的方法获取圆台型空腔声学覆盖层敷设在与计算模型具有相同厚度的钢材上的声反射系数;其次,根据参数等效前后反射系数相等的原理,利用遗传算法反演声学覆盖层的等效物理参数(杨氏模量、泊松比、损耗因子);最后将反演得到的等效参数应用于均匀阻尼层,获得模型的水下声目标强度,验证该方法的可行性。结果表明,该方法能有效且高效地获得敷设圆台型空腔声学覆盖层的结构物水下低频声目标强度。     

循环载荷下船体圆孔板塑性累积与致断特性北大核心CSCD

[目的]为了解初始挠度形状对循环载荷下船体圆孔板塑性累积特性的影响,采用有限元软件ABAQUS对不同柔度系数和开孔尺寸的圆孔板,开展轴向循环载荷下的非线性弹塑性大挠度数值模拟。[方法]重点研究以第一阶屈曲模态和常用初始挠度公式构造初始挠度形状时,轴向循环载荷下圆孔板的塑性累积及其致断特性。[结果]研究表明,以常用初始挠度公式作为初始挠度形状的圆孔板,在相同循环载荷幅值下的塑性累积较第一阶屈曲模态缓和。同时,循环载荷幅值较小时,以第一阶屈曲模态作为初始挠度形状的圆孔板在相同载荷下的致断循环次数少于以常用初始挠度公式构造初始挠度形状的情况,但差异随载荷幅值的增大而减小。[结论]不同的初始挠度形状对圆孔板塑性累积与断裂起始的影响取决于柔度系数、开孔尺寸以及循环载荷幅值。     

钛合金耐压夹层圆柱壳芯层结构拓扑优化

[目的]因对于钛合金耐压夹层圆柱壳这种新型耐压结构研究得较少,其芯层拓扑形式有待优化确认,需开展芯层拓扑优化。[方法]首先,选择一个壁厚较大的无加筋圆柱壳作为分析对象,采用ANSYS轴对称单元计算结构的应力;然后,沿圆柱壳厚度方向划分为上、中、下3个区域,将中部区域的结构设为设计变量,并建立其芯层结构形式的两阶段拓扑优化数学模型;最后,基于Matlab建立遗传算法主控程序,针对无加筋圆柱壳芯层的布置,分别仅沿轴向、轴向与径向布置形式两个阶段进行拓扑优化,以验证上述耐压夹层圆柱壳加筋形式的合理性。[结果]优化方案芯层拓扑形式为等间距设置,垂直连接内壳和外壳的肋板。[结论]静水压力载荷下的耐压夹层圆柱壳结构是一种合理的耐压结构形式。     

水下接触爆炸作用下泡沫夹芯板耗能机理研究

[目的]为了研究水下接触爆炸作用下泡沫夹芯板的耗能机理,[方法]首先,开展泡沫夹芯板的水下接触爆炸试验,获得其破坏模式,并比较等质量钢板与不同配置夹芯板的抗爆耗能效果;然后,基于数值仿真,分析泡沫夹芯板在水下接触爆炸作用下的损伤过程,模拟夹芯板的破坏模式,统计各部分的耗能率。[结果]研究结果表明,同等条件下夹芯板的抗爆耗能效果优于等质量实体钢板,且上面板薄、下面板厚时的耗能效果最优;夹芯板耗能率可较实体钢板提高约5%~8%。[结论]根据试验和仿真结果,给出了泡沫夹芯板结构在水下接触爆炸作用下的耗能机理,可为舰船结构防护设计提供参考。     

基于声辐射特性分析的舱壁边缘开孔参数优化设计研究

为满足潜艇设计整体性、实用性和技术性要求,结构组、管路组及机电组等需对特殊舱壁边缘进行开孔处理.为研究舱壁边缘开孔对潜艇水下振动和声辐射特性的影响,以两舱段环肋圆柱壳为研究对象,采用结构有限元耦合流体边界元方法,通过FORTRAN和DAMP混合编程,计算了在不考虑开孔加强结构条件下不同开孔位置、开孔数目及开孔大小的圆柱壳水下辐射声功率曲线,得到基于声辐射特性的开孔参数优化方案,为潜艇舱壁结构设计提供合理依据.     

基于声辐射特性分析的舱壁边缘开孔参数优化设计研究

为满足潜艇设计整体性、实用性和技术性要求,结构组、管路组及机电组等需对特殊舱壁边缘进行开孔处理。为研究舱壁边缘开孔对潜艇水下振动和声辐射特性的影响,以两舱段环肋圆柱壳为研究对象,采用结构有限元耦合流体边界元方法,通过FORTRAN和DAMP混合编程,计算了在不考虑开孔加强结构条件下不同开孔位置、开孔数目及开孔大小的圆柱壳水下辐射声功率曲线,得到基于声辐射特性的开孔参数优化方案,为潜艇舱壁结构设计提供合理依据。     

两层分级多学科设计优化在AUV概念设计中的应用

建立了自治水下潜水器总体概念设计的两层分级多学科设计优化框架的数学模型,借助试验设计方法进行设计变量与目标函数的相关性分析,选取对AUV总体概念设计结果最有影响的设计变量,进行多种优化搜索策略和多组不同初始设计值的多学科设计优化,最后得到自治水下潜水器概念设计的优化结果。     

水下复杂目标在空间中低频散射场的TSS-FDTD分析北大核心CSCD

[目的]随着人类对海洋资源的逐步开发,海面下运行的航行器数量激增,由此带来的对航行器等水下复杂目标的电磁探测问题亟待解决。[方法]基于总场-散射场源时域有限差分方法(TSS-FDTD)和海面上下表面的场值转换算法,分析水下天线阵列源照射水下航行器目标产生散射场的空间分布规律。通过计算得到水下天线阵列与复杂目标附近区域的场分布、整个水下空间的场分布和海面上方的场分布,并将目标与源在不同相对位置的3组模型在空间中的散射场进行对比分析。[结果]结果表明:在海水内部环境中,不同目标模型的散射场差异较大,通过观测该散射场可确定目标的存在;而在海面上空,不同目标模型的散射场差异较小,通过观测其散射场均值和能量分布情况也能确定目标是否存在。[结论]研究结果可为相似工作频段的探测雷达提供数值参考,为水下航行器探测、水下救援、打捞沉船等工程领域提供技术支撑。     

水下安全检测与作业型机器人控制系统

[目的]针对船体、大坝、水下钢结构等表面附着物的安全检测,以及附着物清除作业的要求,需要研制一款新型水下安全检测和作业型带缆遥控水下机器人(ROV)。此类ROV需针对不同作业任务更换机械手,实现抓取、切割的功能,从而保证去除结构物上的附着物。[方法]阐述水下安全检测和作业型机器人的整套系统组成及原理。该系统以Arduino单片机为控制面板信号采集工具、以水面监控系统开发工控机为平台,零浮力脐带缆以2对双绞线、1对电源线为信号电力传输线,水下控制系统以ARM嵌入式为主控单元。建立ROV动力学模型,设计ROV艏向控制的广义预测控制器。经过系统调试,进行水池试验和湖上试验。[结果]试验证明,该系统运行正常,整套控制系统的稳定性、可靠性、实时性均达到设计要求,满足水下安全检测及作业要求。[结论]该系统设计方案和控制算法对于其他水下机器人的控制系统研究均有借鉴意义。     

圆锥壳大型开孔围栏焊缝裂纹疲劳寿命分析北大核心CSCD

[目的]旨在研究受均布压载荷的圆锥壳大型开孔围栏焊缝结构中的疲劳寿命问题。[方法]以某水下耐压结构模型作为研究对象,构建有限元模型,使用结构应变方法获取该结构的疲劳危险点并计算该点处疲劳寿命。将计算结果与该水下耐压结构模型的试验数据进行对比,验证结构应变方法在此类结构疲劳寿命评估中的准确性。[结果]结果表明,结构应力最大部位出现在围栏焊缝靠近模型大端一侧,与试验中疲劳裂纹出现位置一致。结构应变方法计算得到的疲劳寿命与实际试验结果基本吻合,实际试验中的疲劳数据落在主e-N曲线的一条窄带上;围栏焊缝危险点处正向结构应力远大于切向结构应力。[结论]结构应变方法可以较好地解释圆锥壳大型开孔围栏焊缝结构的疲劳寿命问题,在此类载荷条件下,危险点处初始裂纹应当为一型。