多球交接耐压壳结构优化问题的研究

文章对多球交接耐压壳的结构优化问题进行了研究.通过对一系列双球交接耐压壳进行非线性有限元分析,总结了双球交接耐压壳的两种典型破坏模式.在此基础上,提出了多球交接耐压壳结构优化问题的数学模型,并对不同材料的耐压壳进行了结构优化.优化的结果表明,交接角的大小对最优化结构的重量影响十分微小,而在相同的工作深度下,某钛合金材料耐压壳的最优结构具有最小的重量.此外,文中还对多球交接耐压壳的结构形式进行了推广,提出了三种新的多球交接形式.     

深潜器多球交接耐压壳结构性能研究

多球交接耐压壳综合了单球壳和加筋圆柱壳2种耐压壳的优点,是一种更加安全和经济的深潜器耐压壳结构形式.本文以极限强度和浮力系数为主要指标,研究了多球交接耐压壳各几何参数对结构性能的影响,并考虑了环向加强肋设于耐压壳外部的情况.在本文中,耐压壳的极限强度利用ANSYS软件通过非线性有限元方法计算得到;同时,还利用多学科设计优化软件iSIGHT,对多球交接耐压壳的4个几何参数进行试验设计,并以其对耐压壳的极限强度和浮力系数的主效应和贡献率为标准,评价了它们对于整体结构性能的影响.     

深潜器多球交接耐压壳室温蠕变-疲劳特性研究

为了揭示钛合金深潜器多球交接耐压壳在实际作业过程中的蠕变-疲劳特性，通过定义的比例因子建立考虑蠕变损伤演化速率拉压不对称时的室温蠕变-疲劳损伤模型，通过对ABAQUS软件进行二次开发，基于蠕变-疲劳损伤模型和自动周期跳跃算法，建立了适用于深潜器多球交接耐压壳结构的蠕变-疲劳损伤数值模拟方法。数值分析结果显示，多球交接耐压壳结构的热点位置在承受拉伸载荷时，蠕变损伤对结构的蠕变-疲劳寿命影响显著，而承受压缩载荷时几乎不产生蠕变损伤；当作业水深增加时，蠕变-疲劳裂纹萌生寿命的减少速度明显高于疲劳裂纹萌生寿命的减少速度；当处于相同水深时，保载时间增加会使结构的蠕变-疲劳裂纹萌生寿命减少，但耐压壳的实际可作业时间大幅提升。研究结果可为多球交接耐压壳蠕变-疲劳强度的计算提供参考。     

深海载人潜水器有开孔耐压球壳的极限强度

钛合金制深海载人潜水器耐压球壳属中厚度壳结构,上面设有人孔、观察窗等多个开孔,加工建造过程中又会产生初始缺陷,因此,这类结构的极限强度乃是设计者所必须关注的问题.本文利用ANSYS软件对上述有开孔耐压球壳的极限强度进行非线性有限元分析,计算了局部缺陷范围及幅值的变化对壳体极限强度的影响.计算结果表明,有围壁加强的开孔耐压球壳与无开孔耐压球壳的极限强度相差不大.     

基于拓扑优化和尺寸优化的水下耐压球壳轻量化设计

大深度载人潜水器往往采用开孔耐压球壳作为其主要的承压结构,球壳开孔加强结构的优化设计,对减轻球壳重量,提高球壳承载能力具有重要意义。本文介绍拓扑优化的方法以及耐压球壳优化设计的基本流程,以4 500 m耐压球壳为研究对象,基于Hyperworks和Workbench软件,建立了耐压球壳的有限元模型,进行静力分析,并根据结果对球壳的开孔加强结构进行拓扑优化和尺寸优化,得到最优的加强形式。优化结果表明,优化后的耐压球壳的刚度和承载能力得到显著提高。     

深海载人潜水器耐压球壳极限强度研究

对现有的潜水器耐压壳的研究主要都围绕薄壳结构,而深海载人潜水器耐压球壳,已属于厚壳的范围.国际上还没有均匀外压下厚球壳的解析解,只有美国海军泰勒水池耐压球壳设计公式及俄罗斯相应的公式可以参考.因此本文基于有限元的分析方法,对大深度载人潜水器耐压球壳极限强度进行了研究.通过对有限元参数的比较,提出了一个合理的有限元分析模型,计算结果与实验数据相符,而泰勒水池公式及俄罗斯公式的误差较大.然后计算了一系列半径厚度比下的耐压球壳的极限强度,并研究了初挠度的影响.本文认为对于深海载人潜水器耐压球壳可以直接根据有限元计算确定其极限强度,泰勒水池公式和俄罗斯公式偏于保守;耐压球壳经过精加工,初挠度对于其极限强度的影响不大.为了实用起见,本文还给出了完善耐压球壳极限强度与经典值的比值曲线,以及初挠度效应曲线.     

球柱结合式多球型耐压结构极限强度特性研究

为了揭示主要结构参数对多球型耐压结构极限承载能力的影响,以三球交接型耐压结构为研究对象,采用非线性有限元方法,开展了结构参数变化对极限强度的影响研究。通过数值计算与归纳分析,发现开孔系数和厚度对极限强度的影响呈现单调变化,随着开孔系数的增大,结构极限强度衰减速率先增大后减小,其余参数在影响结构效用方面存在较明显的边际效益递减。论文给出了多球交接结构补强方案的最优策略,为深海载人装备用多球耐压结构的设计提供参考。     

深海载人潜水器耐压球壳的非线性有限元分析

潜水器耐压球壳的稳定性是开发深海载人潜水器的关键技术之一,其球壳已达中厚壳范围,因此需考虑横向剪切变形的影响.本文基于非线性有限元方法,对大深度载人潜水器耐压球壳的非线性稳定性进行了研究,考虑了加工过程造成的不圆度、材料屈服引起的应变强化呈现的材料非线性、以及壳体整体屈服产生的塑性大变形而表现的几何非线性等因素的影响.计算表明,相同厚度耐压球壳的失稳临界压力随半径的增大而减少;球壳半径不变时,失稳临界压力则随厚度的增加而增大.文中给出了球壳失稳临界压力、厚度与直径的关系曲线,据此可选择潜水器耐压球壳的最佳几何尺寸.     

多蛋形交接耐压壳屈曲特性试验与数值研究

文章研究了多蛋形交接耐压壳屈曲行为。基于壳体开孔处的变形量与完整壳体一致的设计理念,优选多蛋壳结构参数,制作多蛋壳比例模型,并对其制作误差进行了检测。此外,还进行了静水压力试验,验证真实多蛋壳破坏形式,检验环肋参数的合理性,比较了考虑真实形状和厚度的非线性有限元分析结果。结果表明:基于变形协调理念设计的多蛋壳,最终破坏远离环肋交接处,蛋形壳单元破坏形式及载荷与完整单蛋壳基本相同,试验验证了多蛋壳继承了完整蛋形壳较好的耐压特性;基于弧长法的数值计算与试验结果具有良好一致性,考虑真实形状和厚度的非线性有限元分析可用于分析预测真实壳体的屈曲特性。     

集体逃逸舱开孔耐压球壳优化设计

开孔耐压球壳是集体逃逸舱的主要承压结构,其强度和稳定性直接关系到逃生人员的生命安全。本文推导了计算静水压力下开孔耐压球壳应力的解析单元法(AEM),该方法与有限元法计算结果吻合。对开孔耐压球壳极限强度进行有限元分析,用响应面法(RSM)建立非线性稳定性近似公式。基于强度和稳定性计算公式,联合采用多岛遗传算法(MIGA)和Hook-Jeeves法进行优化设计,得到满足强度和稳定性要求重量最轻的设计方案。     

基于代理模型的水下航行体头型优化设计方法研究

文章采用Kriging代理模型技术针对水下航行体头型优化设计开展研究。采用CFD方法分析了不同头型水下航行体的流体动力性能,将性能参数作为初始样本建立代理模型;根据测试样本点的预测均方误差选择加点策略更新代理模型,提高代理模型预测精度;采用非劣分类遗传算法对阻力和表面压力开展多目标优化,寻找近似最优解。结果表明:基于代理模型技术的水下航行体头型多目标优化设计方法可以有效提高设计效率,获得具有良好水动特性的航行体头型。     

基于克里金模型的潜水器耐压舱结构优化

本文研究Kriging建模和序贯加点相结合的方法,用于解决目标函数或者约束函数无法显式表达下的优化问题。在加点准则中为了避免出现龙格现象,改进了加点优化时步长要求,在优化过程中融入多种群遗传算法提高了序贯加点值的计算准确性。计算结果表明,改进后的加点准则在存在多区域或者多个极值点的情况下均可快速搜索到最优点位置。建立了载人潜水器载人舱以重量为优化目标,以强度要求为约束的球壳厚度优化模型,采用此方法在初始选取5个样本取样,序贯加点6个样本点,计算得到球壳的最优厚度值为50.5569 mm,可有效指导设计工作。     

近似技术在船型阻力性能优化中的应用研究

船体型线优化过程中,通常要利用高精度的CFD软件对船舶的相关性能进行数值求解。这将耗费大量的时间,导致船型优化效率降低。为有效提高船型优化的效率,提出将近似技术应用于船型自动优化中,以代替CFD数值求解。探讨了样本点选取、样本集形成及近似模型实现途径等问题。以一艘1300TEU集装箱船的线型优化为例,构建船体兴波阻力的Kriging近似模型,并将其应用于球鼻首的优化中。计算结果表明,基于Kriging模型的船型优化是一种实用而且有效的方法。     

船舶结构多学科设计优化近似方法的比较

随着船舶结构设计日益复杂,使用统计学方法为复杂的计算机分析建立近似模型已经逐渐成为一种趋势.文章简要地介绍了三种多学科设计优化中常用的建立近似模型的方法;响应面、Kriging和径向基神经网络,并通过两个算例对其性能进行了比较.建立近似模型所需的样本点由一系列随机正交表提供,三种近似方法的性能则通过误差分析来进行比较.除了常用的二阶响应面模型,文中也构造了三阶响应面模型来进行比较.研究结果表明:Kriging方法以其准确性和稳定性,比其它方法更加适合船舶结构的多学科设计优化.     

基于序贯Kriging模型的潜器型线优化设计

潜器型线优化设计是一个多目标优化问题,在型线设计过程中,阻力性能与包络体积的要求是相互冲突的。为了解决计算流体力学软件如Fluent在进行潜器的外形优化设计时效率低下问题,采用Kriging模型代替仿真模型进行潜器外形设计的策略,其基本思想是：选取设计变量和样本点,利用ICEM软件建立参数化的水动力分析模型,用Fluent软件计算得到样本点的阻力响应值,建立反映设计变量与响应之间关系的Kriging模型,将阻力和体积作为潜器外形优化的两个目标,利用多目标遗传算法求出Pareto最优解。由于采样策略对Kriging模型精度影响很大,本文提出了一种新的序贯采样方法命名为加权累积误差方法,来选取样本点以提高Kriging模型精度。结果表明提出的序贯Kriging建模技术能极大提高潜器型线优化设计效率,同时保证设计精度。     

藕节形大深度潜水器耐压壳体优化设计

藕节形切弧连接耐压壳体是大深度潜水器耐压壳体的一种新型结构形式.该文考虑初始缺陷和材料、几何非线性的影响,参考潜艇规范,采用外点罚函数(OPF)法的结构优化程序,研究了三藕节切弧连接耐压壳体的优化设计.在研究中,设计变量为耐压壳体的厚度半径比、球壳间距半径比、连接角,考虑强度、稳定性以及几何约束,使浮力因子最小.同时研究了设计变量在结构优化设计中的敏感性,以及设计变量对耐压壳体的浮力因子、强度和稳定性的影响.文中的研究结果可以为藕节形大深度潜水器耐压壳体的结构设计提供参考.     

基于BP-GA算法的环肋锥柱壳多目标优化设计

本文以超大潜深的潜艇耐压壳结构为研究对象,利用排水量表达式估算潜艇主尺度。通过Ansys软件的Apdl语言建立环肋锥柱壳的有限元模型,并分析计算耐压壳的强度及稳定性。以肋骨间距、耐压壳厚度和肋骨尺寸作为离散设计变量,以结构重量、总体失稳临界压力作为优化目标,实现基于神经网络和遗传算法的环肋锥柱壳多目标优化设计。在Matlab平台上,首先用拉丁超立方体抽样,再用BP神经网络建立起样本点和目标函数之间的映射关系,构建神经网络代理模型,最后调用多目标优化函数gamultiobj进行优化。优化结果表明,利用BP神经网络和遗传算法相结合进行复杂模型环肋锥柱壳的多目标优化,效率较高,精度较好,达到较理想的优化效果。     

基于神经网络和粒子群算法的环肋圆柱壳优化设计

对于潜艇外壳等外压容器来说,满足稳定性要求至关重要。本文利用Matlab编写改进粒子群算法优化程序,利用 Ansys的 Apdl语言完成了环肋圆柱壳的参数化建模,以圆柱壳厚度、肋骨尺寸和肋距作为离散设计变量,以稳定性要求作为约束条件,构造了合适的惩罚函数,以质量最轻作为设计目标,实现了基于 BP神经网络和粒子群算法的环肋圆柱壳优化设计。在优化过程中,首先采用拉丁超立方体抽样完成了样本点的选取,然后对样本点进行有限元分析,根据有限元分析结果构建 BP神经网络代理模型,并探讨了样本点数量对代理模型预测精度的影响,最后采用改进粒子群算法对代理模型进行优化。优化结果表明,对于需要考虑离散变量和复杂非线性约束的结构优化问题,采用 BP神经网络和粒子群算法联合优化的方法能够节省大量计算时间,并达到理想的优化效果。