水下爆炸载荷下舰船结构的多目标优化

水面舰船对轻量化和抗爆性能均有特殊的需求，而这两个目标此消彼长的关系又使得实现它们的途径相互矛盾。为找到能同时提高轻量化和抗爆性能的满意解，建立以板厚为变量的多目标优化模型。在优化过程中，通过参数化建模技术实现建模的自动化，数值模拟采用船体三舱段有限元模型，使用ABAQus／ExPLIcIT求解器进行非线性有限元分析，并在优化流程中引入实验设计和近似模型进行响应预报，在此基础上，还通过NSGA—II遗传算法进行多目标优化，得到优解。通过对优化后的船舯舱段与优化前的进行对比分析，发现重量和抗爆性能这两个目标分别有0．46％和22．51％的改进，实现了轻量化和抗爆性能的双向提升。     

基于BP-SSA算法的夹层板结构抗爆性能优化方法

设计具有优良抗爆性能的夹层板结构对提高船舶生命力具有重要意义。本文提出一种基于神经网络与麻雀搜索算法相结合的优化方法（BP-SSA）,以提高结构的抗爆性能为主要目标,对波形夹层板结构进行优化设计。通过正交试验设计建立样本点矩阵,在此基础上,利用神经网络建立设计变量与结构响应值之间的响应面模型,最后采用麻雀搜索算法对响应面模型进行多目标优化分析,得到波形夹层板结构的抗爆性能优化方案。优化后的结构抗爆性能比原结构提升了31.8%,且神经网络的预测值与有限元仿真结构一致性较好。因此,该方法在提高夹层板结构的抗爆性能的同时还减轻了结构重量,能够为工程设计提供参考。     

基于子模型分解的船舶舱段结构代理模型协同优化方法

[目的]为解决船舶舱段结构优化设计参数众多、计算耗时的难题,提出一种基于子模型分解的舱段结构代理模型协同优化方法。[方法]每次选择一个板架,根据当前舱段方案的有限元模型建立板架结构子模型,基于子模型构建板架结构响应的代理模型并进行优化,得到板架优化解后更新舱段模型,再进行下一个板架的优化,如此迭代,直到完成一轮或多轮包含所有板架的协同优化后停止。最后对舱段结构尺寸进行小范围调整,得到最终优化解。[结果]某船舶舱段结构优化结果显示,与从整体优化角度出发的基于降维代理模型的舱段结构优化方法相比,在相当计算成本下,所提方法的优化结果重量进一步减小了2.86%,最终实现结构减重4.96%。[结论]所提方法的优化效果较好,在高维船体结构优化问题上具有较好的应用价值。     

基于人工蜂群算法和有限元强度计算的集装箱船剖面结构优化

[目的]现有基于有限元强度计算的结构优化研究大多采用改写单元节点信息文件来实现参数化建模的方法,为解决在船体剖面结构优化过程中难以考虑型材数量变化的问题,提出一种基于参数化几何建模分析和人工蜂群（ABC）算法的船舯剖面结构优化方法。[方法]首先,在Matlab平台编写蜂群算法,并基于ABAQUS内核语言Python建立能够在其CAE模块中生成几何模型的脚本文件;其次,建立能够提交有限元计算和读取结果的Python脚本文件,通过将算法每次生成的解改写到脚本对应位置完成几何模型的更新,后台调用ABAQUS并依次运行脚本文件;最后,将计算结果返回到Matlab平台中进行校核,完成参数化几何建模与有限元分析。[结果]以4 600 TEU集装箱船在总纵弯矩作用下的舱段剖面结构优化为例验证了该方法的可行性,得到集装箱船舱段结构减重达18.7%。[结论]经对比分析,在设定条件下基于有限元的优化方法比基于规范的优化方法更加充分。     

基于PSO-BP神经网络的油船中部结构优化

以舱段质量为目标函数,以相关规范要求的板厚及应力为约束条件,通过灵敏度分析确定设计变量,对油船中部结构优化。构建基于粒子群优化的BP神经网络模型,并代替有限元分析确定应力与设计变量之间关系,从而对舱段进行结构优化。优化后舱段质量降低了4.2%,优化后的有限元分析结果表明满足规范要求,PSOBP神经网络模型在船舶结构优化设计中具有可行性。     

半、全宽舱段模型的船舶横向强度比对

采用大型通用有限元分析软件MSC,以54 000 dwt散货船为例,采用半舱段模型与全舱段模型进行横向强度有限元分析,得出了在不同工况中舱段内货物压力、舷外水压力、波浪压力等作用下船体舱段结构的结构响应,并对两种模型的计算结果进行对比分析,计算结果对横向强度的建模具有指导意义。     

超大型油船舱段结构强度评估平台

双壳油船共同规范JTP对于船长超过150 m的油船推荐采用有限元进行直接计算分析其强度。本文依据JTP中关于舱段有限元建模的要求,采用有限元软件ANSYS的APDL语言,建立了超大型油船三舱段结构强度评估平台。该平台对于同一种结构形式下的不同设计参数,均能自动实现建模、网格划分、边界条件和工况加载、求解以及主要构件的应力输出等功能;初步实现了基于直接计算的超大型油船舱段强度评估的自动进行,为超大型油船的初步设计和结构优化提供了舱段结构强度评估的基础。     

超大型油船舱段结构强度评估平台

双壳油船共同规范JTP对于船长超过150m的油船推荐采用有限元进行直接计算分析其强度。本文依据JTP中关于舱段有限元建模的要求，采用有限元软件ANSYS的APDL语言，建立了超大型油船三舱段结构强度评估平台。该平台对于同一种结构形式下的不同设计参数，均能自动实现建模、网格划分、边界条件和工况加载、求解以及主要构件的应力输出等功能；初步实现了基于直接计算的超大型油船舱段强度评估的自动进行，为超大型油船的初步设计和结构优化提供了舱段结构强度评估的基础。     

船体舱段三维有限元模型参数化建模方法研究

提出三维船体舱段有限元参数化建模的设计方法,将船体舱段的有限元网格归类为纵向网格和横向网格,并分别提出相应的算法以实现这两种网格的自动生成.     

潜艇双层舷侧结构水下接触爆炸特性数值分析

为研究潜艇双层舷侧在水下接触爆炸作用下的破坏特性和抗爆性能,对潜艇舱段进行等比例实体建模,利用非线性有限元软件LS-DYNA作为工具进行仿真。归纳总结了舷侧主要结构的破坏模式及响应特点,并从吸能的角度探讨了各结构对抗爆性能的贡献度,结果可为结构的强度优化设计提供参考。     

钛合金深海耐压舱结构设计

根据最小重量原则及耐压舱的使用要求,结合规范和有限元方法设计工作潜深为2 000 m的钛合金圆柱耐压舱,并对带有多个开孔的端部平盖封头进行结构设计与校核。针对圆柱舱建立参数化结构有限元模型,并在Isight集成优化环境下进行结构优化并获得最优解。对耐压舱进行打压试验,验证了设计方法的有效性,深海压力舱满足力学性能和重量要求。     

基于响应面法的SPS舱口盖结构多目标优化

本文以轻量化为前提,设计传统钢制板架舱口盖的钢聚氨酯夹层板(Steel-Polyurethane Sandwich plate,SPS)替代方案.对不符合结构刚度、强度要求的初步方案,采用基于BBD(Box-Behnken Design)设计的响应面法进行结构多目标优化设计,以结构变形和等效应力作为优化目标,结构尺寸及质量为约束条件,建立响应面模型,得到优化后的SPS舱口盖设计方案;并采用有限元仿真方法,对优化前后的方案进行了仿真计算,对优化目标进行了详细对比,验证了优化的有效性和必要性.对比结果表明:优化后的SPS舱口盖结构,在减重9.28％的情况下,变形减少了36.7％,应力降低了30.5％;说明采用响应面法对SPS舱口盖实现多目标优化可行,且优化效果明显.     

基于Abaqus的环肋圆柱壳长舱段稳定性分析与结构优化

采用大型非线性有限元软件Abaqus分析了环肋圆柱壳长舱段的稳定性规律,对于环肋圆柱壳长舱段,随着舱段长度的增加,其稳定性的数值仿真解与解析解差别逐渐增大,有限元计算结果能够更加合理准确地反映其稳定性状况.现行规范对于环肋圆柱壳长舱段稳定性的求解适用性有所下降,应该考虑对理论公式进行修正.针对某种典型的环肋圆柱壳长舱段,分别采用一根和两根框架肋骨的方案进行结构优化以提高其总体稳定性,结果表明,一根框架肋骨的优化方案重量较轻,稳定性指标更加接近规范的容许值,两根框架肋骨则比较节省舱内空间.综合考虑,一根框架肋骨的方案更加合理.     

超深水钻井船隔水管舱段结构总体强度分析

为分析超深水钻井船隔水管舱段结构总体强度,利用美国船级社(ABS) Drillship 2. 0软件,结合ABS钻井船规范进行有限元建模、加载和分析,对目标舱段的应力分布结果进行强度评估。计算结果表明:隔水管舱段满足屈服、屈曲和疲劳强度要求。     

基于有限元的整船结构多学科设计优化

目前在同时考虑舰船水动力性能和结构性能的多学科设计优化模型中,水动力性能和结构性能的预报通常只能采用精度较低的经验公式。为了提高多学科设计优化模型的计算精度,必须要实现的技术就是将舰船水动力性能预报依赖于CFD的分析和将结构性能预报依赖于有限元的分析。重点研究了在多学科设计优化框架中集成有限元软件进行结构优化的技术。首先以一个简单的耐压圆柱壳为例子,介绍了iSIGHT调用Ansys进行包括参数化建模在内的结构优化的流程。然后对某船的整船有限元分析模型进行了整船结构优化研究。由于该船的整船结构有限元模型包含202个板和梁的属性,优化模型的设计变量很多,超出了目前很多优化算法的使用范围。在经过了多种优化算法的比较后,最终得到了优化解,实现了基于有限元的整船结构多学科设计优化。     

基于有限元分析的船舶结构设计

采用Ansys有限元分析平台构建全船模型,通过插值和网格划分2种方法划分模型网格,并在不同载荷情况下,通过3种力学方程模拟和校核船舶模型的抗损程度以及承载强度,分析船舶结构性能,完成船舶模型结构尺寸优化。结果显示：该方法能够获取不同载荷下船舶不同结构部位的应力分布结果,不同载荷下,船舶首部舱段结构和甲板支撑结构发生显著的应力集中现象,最大发生接近8 cm的变形;对船舶结构尺寸优化后,结构的最大应力不超过应力的上限值400 MPa,整体船舶质量也逐渐发生轻量化。     

基于MSC/NASTRAN的小水线面双体船结构优化设计研究

该文对NASTRAN的最新结构优化方法和结构优化流程作了介绍,阐述了NASTRAN一般结构优化的数学模型和拓扑优化的物理模型。以小水线面双体船的舱段模型为研究对象,首先以提高舱段结构的整体刚度为目标进行拓扑优化、形状优化和尺寸优化,进而结合工程适用性提出贴近优化结果的可行优化设计,最后通过有限元直接计算比较验证了优化方案相对常规设计的结构响应的改善。     

优化算法对船舶可靠性的影响分析

通过构建径向基(Radial Basis Function,RBF)神经网络近似模型,分别采用自适应模拟退火算法(Adaptive Simulated Annealing,ASA)、多岛遗传算法(Multi-Island Genetic Algorithm,MIGA)、粒子群法(Particle Swarm Optimization,PSO)3种优化算法,以重量最轻为目标,对油船整体舱段进行基于CCS规范的优化设计;之后利用Abaqus非线性有限元法计算了轻量化舱段的极限强度,并通过建立极限状态方程,进一步研究优化算法对船体极限强度可靠性的影响;最后,为直观、量化地反映船舶的风险变化程度,通过提出失效概率折减率μ,发现PSO-RBF算法下减重单位舱段重量,船体梁失效概率增加最少。     

空爆载荷作用下波形夹层板抗爆结构优化设计

为了提高空爆载荷作用下夹层板的抗爆能力,提升其在舰船和海工装备上的应用程度,本文提出了一种针对波形夹层板结构的优化方法,该方法以结构质量和在爆炸载荷作用下的结构应力、变形以及吸能作为评估标准,利用正交试验筛选出样本点,通过BP神经网络生成夹层板结构参数与评估标准间的响应面模型,用遗传算法对响应面模型进行多目标优化分析,得出全局最优解,形成一套夹层板的优化设计方案,这为夹层板抗爆结构优化设计提供了一种新的设计思路和优化方法。     

基于Ansys的某型舰炮托架拓扑优化设计

为了减轻旋回架的重量和降低生产成本,实现轻量化设计的目的。通过均匀化方法理论,建立了以微结构单胞密度为设计变量,柔顺度最小为目标函数,体积函数为约束函数的拓扑优化数学模型,并通过Ansys有限元软件,对某型舰炮托架进行了拓扑优化研究。根据优化结果对托架进行了结构改进和有限元分析,分析结果表明,在满足结构刚、强度的条件下,托架质量减轻了16%,较好地达到了设计目标,实现了托架结构轻量化设计的目的。这对于舰炮结构改进设计具有工程应用价值,对其他一般机械结构问题也提供了一种设计思路。