矩形耐压舱预应力支柱优化设计

[目的]为有效降低矩形耐压舱顶甲板的弯曲应力,[方法]提出在耐压舱内部设置预应力支柱。首先,给出支柱布局及尺寸已定的情况,以支柱预应力为设计变量,顶甲板板架弯曲应力为目标函数,建立考虑支柱应力约束的支柱预应力最优配置数学模型;然后,进一步将支柱位置作为设计变量,进行支柱布局及其预应力配置优化设计;最后,在预应力优化结果的基础上提出一种降低支柱结构重量的设计思路。[结果]优化结果表明,合理配置支柱的预应力,在支柱重量不增加的前提下顶甲板板架弯曲应力值降低了21.6%;进一步优化后,最终的支柱优化设计方案使顶甲板板架弯曲应力进一步降低了16.0%。[结论]研究结果可为类似结构设计提供方法参考和设计借鉴。     

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。     

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。     

舰船高传递损失复合托板振动特性优化设计

基于结构动力学优化设计理论,研究了潜艇典型舱段双层圆柱壳舷间高传递损失复合托板结构。通过初步优化,得到隔振效果最优的刚性阻振质量块的最优截面尺寸和布设位置,并将最优参数的刚性阻振质量块等效为相同截面惯性矩的球扁钢。在满足舱段总重量及危险截面结构强度的约束条件下,以舱段非耐压壳体全频域内的平均振动加速度级为目标函数,对高传递损失复合托板的开孔半径和托板角度进行动力学优化设计,得到最优振动特性的复合托板形式。由优化结果得到,在中、高频段内,高传递损失复合托板有明显的降噪作用,舱段非耐压壳体全频域内的平均振动加速度级降低了1.66 dB。     

含新型连接型式的潜艇内部平面舱壁结构设计及模型试验验证

[目的]在潜艇内部平面舱壁设计中,目前是采取分别对舱壁板和构架进行计算的方式,缺乏评估舱壁整体结构极限承载能力的方法,且加强结构端部附近的耐压船体还有局部高应力。为此,[方法]提出一种应用于舱壁加强构架端部的新型连接结构型式,并通过模型试验验证舱壁两侧承载能力是否相同。[结果]有限元分析和试验结果表明,新型连接结构型式能有效降低局部高应力状态,无筋面破舱工况舱壁的极限承载能力比有筋面破舱工况舱壁的大。[结论]所提新型连接结构型式可应用于潜艇内部平面舱壁设计。     

潜艇耐压液舱设计

以Sysware为设计平台,以满足现行规范要求为设计条件,对实肋板带液舱壳板纵骨的耐压液舱进行了优化设计。通过对设计变量、约束条件及目标函数的分析,提出了耐压液舱优化设计的主要设计变量、约束条件及目标函数。通过对算例的优化,对耐压液舱的设计提出了优化设计方向,对实肋板减轻孔的设计提出了改进意见。本文对耐压液舱的规范设计具有一定的指导作用。     

一种液化气船A型舱的分舱优化设计方法

液化气船A型舱建模复杂,且与主尺度、线型及舱容指标等耦合性很强,为提高A型货舱的液化气船在总体层面综合优化设计效率,提出了一种基于参数化建模的液化气船A型货舱的分舱优化设计方法(POMSA)。该方法以参数化建模为核心,以NAPA三维设计软件为平台,对液化气船A型货舱包括典型中横剖面形式、主横舱壁位置以及内壳折角三个方面进行参数化建模表达并作为主要设计变量;基于主尺度、线型、初步总布置等信息作为前提输入;以IGC规范对货罐位置要求、建造工艺对货罐最小边长的要求,目标货舱舱容,螺旋桨浸没以及视线等对压载水量的要求为约束;以货舱舱容最大化为优化设计目标;以iSIGHT优化设计软件为平台,搭建优化数学模型,采用一种探索型全局优化算法的组合算法求解优化模型。经验证,该方法优化迭代效率很高,适合总体设计前期快速评估反馈方案。     

耐压液舱极限承载能力的影响因素分析与匹配设计北大核心CSCD

[目的]旨在讨论相同的强度储备裕度条件下耐压船体与耐压液舱极限承载能力之间的关系,以获得二者极限承载能力相当的匹配设计。[方法]首先,以典型的外置式耐压液舱为研究对象,在评估耐压液舱初始结构方案稳定性与极限承载能力的基础上,分析液舱壳板厚度、液舱实肋板厚度以及液舱横舱壁结构对耐压液舱极限承载能力的影响;随后,适当调整初始方案,获得耐压船体与耐压液舱强度储备裕度相当的设计方案,并在此基础上讨论耐压船体与耐压液舱极限承载能力之间的关系,进一步加强耐压船体,获得匹配耐压液舱与耐压船体承载能力的方案以及对应的强度裕度。[结果]结果显示,减薄液舱壳板30%、液舱实肋板33.3%及液舱横舱壁30%,其极限承载能力将分别降低16.5%,36.4%和0.17%。[结论]研究表明在相当强度储备裕度条件下,耐压船体的承载能力远低于耐压液舱的承载能力;在耐压液舱壳板的强度储备裕度约为25%、耐压船体壳板的强度储备裕度约为40%时,耐压船体与耐压液舱的极限承载压力大致相同。     

基于神经网络与遗传算法的潜艇舱壁结构优化

建立了某潜艇端部耐压平面舱壁结构优化设计的数学模型,以舱壁上加强桁(筋)结构的剖面尺寸为设计变量,结构强度、稳定性、工艺性要求为约束条件,以加强桁(筋)结构总体积为目标函数,用人工神经网络方法代替结构的有限元分析,结合遗传算法完成了舱壁的结构优化设计。在为网络生成学习样本时,自行设计了正交表,解决了因为设计变量多,无法选取合适正交表而随机取样的问题。数值仿真结果表明,优化设计方案质量较原始初步设计方案减少了18.3%。     

基于遗传算法的潜艇首端耐压平面舱壁构架分级优化研究

探讨了潜艇首端耐压平面舱壁的结构优化设计,针对舱壁结构复杂、设计变量多、取值离散规格化等难点,确定两级优化方案,即先后分别对舱壁内部主构架和肘板进行优化,采用遗传算法作为优化方法,并利用ANSYS程序对舱壁结构进行受力分析.对遗传算法进行了改进,并在此基础上用MATLAB语言编程实现遗传算法操作,同时编程与ANSYS结合起来,完成结构优化设计.经过迭代优化,得到一个优化方案,优化部分的结构重量较初始方案降低了18.39%.     

砰击载荷作用下的双体船湿甲板综合优化

双体船由于高航速及独特的结构形式,船体湿甲板处受砰击载荷影响较大,其结构安全受到较大的威胁。采用有限元软件Ansys对目标船湿甲板结构进行参数化建模,运用CFD方法分析求解湿甲板处的砰击载荷。以多学科优化软件Isight为平台,集成有限元软件,以湿甲板各位置板厚、桁材与骨材尺寸和数量为设计变量,以结构应力作为约束条件,以湿甲板结构重量为目标函数,开展砰击载荷作用下的双体船湿甲板优化设计。计算结果表明,考虑结构布局的优化可以以更小的代价实现应力分布均匀化和结构轻量化目标。     

舰船刚性阻振质量基座振动特性优化设计

基于结构动力学优化设计理论,研究了舰船刚性阻振质量基座结构形式的设计方法。在满足基座舱段总重量限制的约束条件下,分别建立了刚性阻振质量布置及截面尺寸优化设计模型,并进行了以基座舱段耐压壳体振动加速度为目标函数的动力学优化设计。通过优化分析,得到了在给定约束条件下减振效果最佳的刚性阻振质量截面尺寸和布置。研究结果表明,刚性阻振质量基座中阻振质量高度越大,基座舱段耐压壳体平均振动加速度级就越小。通过优化设计可以找到满足要求的结构,分析得到目标函数随设计变量的变化趋势,并对此优化方法的有效性进行验证。     

基于NURBS表达的主船体虚拟分舱及舱容计算

在船体曲面、甲板面NURBS表达和内底内壳多面体表达,有效的平面与曲面求交算法和几何特性计算方法基础上,给出了任意形状舱室的舱容计算方法.根据围闭舱室的几何元素(舱壁、甲板、船体曲面或内底和内壳)不同,将舱室分为12种基本形状,只需要船体曲面的型值信息、舱壁位置或折点信息以及内底和内壳的折点位置信息,即可进行参数化虚拟分舱和舱容计算,避免繁琐的舱室型值信息的人工输入,减少人工工作量,提高工作效率.该方法可以计算任意液面包括任意倾斜液面下的舱容,计算结果精确,方法简洁,为船舶3D参数化设计奠定基础.     

基于概率破损稳性的集装箱船优化分舱研究

对于支线型集装箱船来说,最终的装载能力往往取决于破损稳性,合理的分舱是提高分舱指数的有效手段。以某2500TEU集装箱船为例,首先对该船的原始模型进行简化并做鲁棒性分析,之后根据SOLAS 2009,借助国际通用软件工具生成大量分舱方案,通过对大量计算结果进行变量的敏感度分析,得出了水密横舱壁的数量及位置、边舱的宽度、二甲板及双层底的高度、压载舱的型式对分舱指数的影响。为设计者进行同类船的前期研发设计提供借鉴。     

一种用于潜艇冲击响应分析的结构建模方法

本文提出一种用于潜艇冲击响应分析的结构建模方法,将潜艇结构简化为等截面梁,计算结构振动频率,利用结构振动频率、水下爆炸冲击波能量和舱室破损数量构建潜艇结构总体模型。利用模块化设计方法设计和构建潜艇耐压壳体结构、舱壁结构、甲板结构和压铁,并参照实际情况设计各模块的组装方式。通过对结构各个模块基本参数的确定,对潜艇总体尺寸与质量、振动频率和重心位置等总体指标进行计算与控制,使得模型与实艇具有良好的一致性,为潜艇结构冲击响应分析提供手段。     

基于响应面法的强力甲板结构优化设计

对于大型散货船,强力甲板是船体承受总纵弯矩及局部载荷的主要构件。特别是在压载工况下,强力甲板易出现结构问题,因此合理的强力甲板设计对船舶结构安全性和经济性十分重要。提出了基于响应面法的船体结构优化方法,并对一艘76 000 DWT散货船货舱段的强力甲板结构进行优化设计以验证该方法的有效性。在不同板厚尺寸、相同工况下进行甲板参数的灵敏度分析,选取适合的参数作为自变量。在计算出最大相当应力的基础上,应用响应面法的均匀设计试验方法,得出该舱段强力甲板最大应力与结构尺寸的函数表达式。以结构重量最轻为目标函数,在结构强度以及规范要求的最小厚度的约束条件下,对该舱段的强力甲板结构厚度进行优化。所得的优化结果说明该优化设计方法在实际工程中具有应用价值。     

基于ISIGHT的三体维护船侧体布局多目标优化研究

运用多学科设计优化平台ISIGHT针对三体维护船阻力性能和耐波性能进行侧体布局多目标优化。首先,将各侧体布局方案的CFD计算结果作为样本点,结合三体维护船的特定工作海况,运用谱分析方法预报不规则波中增阻平均值、总阻力值及纵摇、垂荡运动有义值,建立上述参数随侧体布局变化的近似模型,代替数值计算。然后,以最小化不规则波中总阻力值和纵摇、垂荡运动有义值为优化目标,以侧体纵向位置和横向位置为设计变量,采用设置权重和比例因子的方法确定目标函数,将所建近似模型作为数据库,选用多目标遗传算法NSGA-II,进行侧体布局多目标优化。最终,获得阻力性能和耐波性能综合最优的侧体布局方案。从而为海上三体风电维护船的设计和相关船型的性能预报提供参考。     

甲板开口围缘扁钢加强方式研究

针对开大长矩形口的甲板结构,在开口内缘加设围缘扁钢,可以降低角隅处的应力集中。采用参数化分析方法,基于结构有限元数值计算结果,研究不同甲板厚度、开口尺寸和角隅半径时,扁钢长、宽、厚尺寸参数对应力集中的影响,并分析其原因。研究结果表明,随着扁钢尺寸的增大,开口处应力集中系数为先减小后增大,合理地设计扁钢加强方式才能有效降低应力集中。通过参数化计算,提出开口处围缘扁钢加强方式优化设计思想,给出最佳扁钢宽度值、厚度的设计公式及设计图谱,可以为甲板开口加强设计提供参考。     

潜艇内部液舱对声目标强度的影响分析

[目的]研究潜艇内部液舱对声目标强度控制的影响。[方法]采用基于Kirchhoff高频近似的板块元方法,计算并分析处于潜艇耐压壳体内部不同位置的液舱对目标强度的影响规律,研究4种液舱结构改进方案的目标强度控制效果。[结果]结果表明:内部液舱主要在1～3 kHz频段对目标强度有影响,其中处于舷侧中心线附近的内部液舱对目标强度影响不大,而处于舷侧底部的内部液舱则有较大影响;位于中心线附近的液舱内壁倾斜有利于降低正横目标强度,而位于底部的液舱内壁倾斜虽可大幅降低3 kHz以上频段的目标强度,但对1～3 kHz低频段目标强度的降低效果仍无法抵消存在内部液舱带来的影响。[结论]在潜艇设计中,需对内部液舱采取相应措施,减小其对目标强度的影响。     

舱内爆炸载荷下箱型梁船体节点结构强度分析

[目的]为了研究箱型梁典型节点结构在舱内爆炸下的结构强度,[方法]基于ANSYS/LS-DYNA显式动力有限元软件,首先建立箱型梁船体舱段结构的有限元模型。然后,采用ALE算法开展舱内爆炸载荷下舷侧箱型梁与强横梁连接处不同型式节点结构的动态响应数值计算。最后,在给定的炸药当量和爆点位置情况下,获得舱室结构的整体变形和破坏模式,并分析在不同节点结构设计方案下典型位置的应力特征。[结果]计算结果表明:舷侧箱型梁与强横梁连接处圆弧式和肘板式节点结构的应力峰值与甲板破口尺寸基本相当;从舱壁撕裂长度来看,肘板式稍逊于圆弧式,在中间箱型梁与强横梁连接处,圆弧连接最优,单侧肘板次之,双侧肘板最差。[结论]所得到的数值计算结果可为箱型梁节点连接结构的工程应用提供有益的参考。