多工况应力下船舶多载荷作用下连续体结构拓扑优化

在多载荷作用下,为使船舶连续体结构的拓扑算子与工况应力条件保持统一变化趋势,提出多工况应力下的新型船舶连续体结构拓扑优化方法。受限选取适宜的船舶载荷变量,再根据连续体结构的单元密度过滤条件,设置多载荷拓扑空洞值,最后在计算船舶连续体结构刚度的基础上,对整体优化流程进行完善,完成多工况应力下船舶多载荷作用下连续体结构拓扑优化方法的搭建。对比实验结果表明,在多载荷作用下,应用新型优化方法后,船舶连续体拓扑结构与工况应力条件间的最大影响参量可达1.24,远超理想最大影响参量0.66,使船舶连续体结构的拓扑算子与工况应力条件达到高度统一状态。     

基于复合材料的水下耐压结构拓扑优化探究

探究基于复合材料的拓扑优化设计方法在水下耐压结构设计中的应用.本文方法是在等值线方法、SIMP(Solid Isotropic Material with Penalization)模型、灵敏度过滤技术的基础上,推导复合材料的等效刚度矩阵.通过经典桥形结构优化算例、静水压作用下的结构拓扑优化设计以及空心水下耐压结构优化设计,分析了在拓扑相关载荷作用下,复合材料对于水下耐压结构的最优拓扑形式的影响.发现复合材料与各向同性材料结构的优化结果比较相似,而复合材料的铺层方式及角度的变化可能对优化结果产生较大的影响,本文对空心耐压结构的优化结果与MIT团队提出的耐压壳概念相类似,说明复合材料的拓扑优化研究对于未来水下耐压结构的设计具有重要的参考价值及指导意义.     

基于复合材料的水下耐压结构拓扑优化探究

探究基于复合材料的拓扑优化设计方法在水下耐压结构设计中的应用。本文方法是在等值线方法、SIMP(Solid Isotropic Material with Penalization)模型、灵敏度过滤技术的基础上,推导复合材料的等效刚度矩阵。通过经典桥形结构优化算例、静水压作用下的结构拓扑优化设计以及空心水下耐压结构优化设计,分析了在拓扑相关载荷作用下,复合材料对于水下耐压结构的最优拓扑形式的影响。发现复合材料与各向同性材料结构的优化结果比较相似,而复合材料的铺层方式及角度的变化可能对优化结果产生较大的影响,本文对空心耐压结构的优化结果与MIT团队提出的耐压壳概念相类似,说明复合材料的拓扑优化研究对于未来水下耐压结构的设计具有重要的参考价值及指导意义。     

水下爆炸脉动载荷对连续玄武岩纤维复合材料船体结构的影响

运用有限元程序MSC.Dytran模拟水下爆炸气泡脉动现象的整个过程,计算输出气泡中心位置压力时历曲线与爆炸理论吻合;采用层合板模型模拟连续玄武岩纤维复合材料,选取一般耦合算法计算流体与结构的耦合效应,计算连续玄武岩纤维复合材料舱段在脉动载荷作用下的动力响应;分析连续玄武岩纤维复合材料船体结构位移时历曲线、应力时历曲线及船底板应力云图.研究结果表明,在近场爆炸情况下,第一次脉动产生的应力波有可能比爆炸冲击波对船体造成更大的破坏;爆炸产生的脉动载荷频率接近整船或局部构件固有频率时,引发共振,对船体造成爆炸冲击破坏外的附加损害.     

考虑载荷流泄时初始裂纹对船舶和海洋工程结构疲劳可靠性的影响

在船舶和海洋工程结构中,裂纹扩大时的载荷流泄现象已被大尺度疲劳试验中裂纹扩展速度减慢所证实。影响疲劳裂纹扩展的因素具有随机性质,因而研究载荷流泄对船舶和海洋工程结构疲劳可靠性的影响是有意义的。本文用Paris公式,结合改进的第二水准法,计算了一个实例,给出了考虑和不考虑载荷流泄疲劳可靠性分析的两种结果。结果的区别表明,如果要期望得到更合理的结果,则在船舶和海洋工程结构的疲劳分析中必须计及载荷流泄。     

船体结构冰载荷的远场识别方法及试验验证

冰区航行船舶的冰载荷监测系统可实时保障结构安全.常规的冰载荷监测系统通常采用在冰区水线处布置应变传感器进行测量,然而船体结构水线处往往因水密隔舱等密闭结构而难以进入.为克服传感器安装位置的限制,本文提出一种船体外板结构远场冰载荷识别模型.采用狄拉克函数形成监测点载荷-测量点冰激应变间的Green矩阵,并用Picard准则对载荷识别系统的不适定性进行分析.同时,采用共轭梯度最小二乘迭代型算法和移动平均滤波技术提升求解精度及降低噪声信号影响,并将反演模型应用到外板结构的载荷识别试验中,反演的载荷可较好地对应上施加载荷的时域特征且载荷识别精度良好.本文提出的冰载荷识别模型是对原有冰载荷监测方案的扩展,可有效提升监测范围.     

Abaqus/Explicit在船舶碰撞载荷作用下结构优化中的应用

船舶碰撞事故会导致严重的经济损失,有必要在造船环节针对船体碰撞过程的载荷进行模拟,提高船舶局部结构的强度,防止船体的机械结构产生碰撞失效。Abaqus/Explicit平台是一种针对静力学、动力学载荷分析与仿真的一个有限元平台,本文基于Abaqus/Explicit仿真平台,通过建模、定义边界条件、运算与求解等过程,进行了船舶碰撞载荷作用下的结构仿真和优化,对于改善船体的结构设计有一定的指导作用。     

冰载荷空间分布对舷侧结构响应的影响

极区船舶与浮冰发生碰撞时,冰载荷压力并不均匀,主要分布于结构与浮冰接触的中心区域,这与冰区加强区域结构设计和强度校核采用均布压力作为设计载荷并不一致.参考真实压力分布,以实测压力分布形式离散模拟冰载荷,形成考虑空间分布的冰载荷加载方法.建立舷侧结构有限元模型,分别以均布和考虑空间分布的离散方式将基于能量法计算所得冰载荷作用于舷侧,同时考虑不同浮冰形状和作用位置对空间分布的影响.结果 表明,冰载荷的空间分布对结构响应结果的影响较大,其中浮冰形状为楔形,且作用位置为板格中心的加载工况最为显著.研究过程与结论可为极区船舶设计考虑船冰相互作用时的冰载荷加载方式提供参考.     

基于应力和刚度的连续体渐进结构优化

近年来,渐进结构优化已发展成工程优化的一种重要方法。目前,渐进结构优化研究多集中在对单约束条件下优化方法的研究,对多约束条件下优化研究较少。为了更好地模拟实际工况,本文在充分分析了有限元理论和材料的弹性力学关系的基础上,找出约束之间的本质联系,提出了基于应力、刚度双重约束渐进结构优化方法。通过经典算例进行验证,优化结果表明了该方法的可行性与有效性。同时,该方法也为其它多约束结构优化提供了一定的参考。     

一种基于冰载荷引起的船体结构疲劳损伤分析方法

目前对基于冰载荷引起的船体结构强度问题已经发展的较为成熟,但是基于冰载荷引起的结构疲劳强度的研究比较少。针对该问题,如果有一种简化方法来指导早期的结构设计,对船舶设计者来说是很有现实意义的。本文对英国劳氏船级社发布的ShipRight FDA ICE_^[1]作概括性的介绍,旨在向读者介绍这一简单而高效的评估方法以及技术背景和注意要点等。最后文章根据这一方法给出数条油船和LNG船的算例,并验证通过该方法改善疲劳节点的可行性。     

典型船舶板架拓扑与形状优化设计

以典型板架结构(船底板架和上层建筑板架)为研究对象,探讨结构拓扑与形状优化设计方法在船舶设计中的应用。对船底板架结构进行形状和尺寸优化(优化目标是指定应力约束条件下结构重量最小),优化后的结构重量减少了15.82%。为改善舱室顶部空间布局,提高舱室顶部板架结构的固有频率,对上层建筑板架进行拓扑优化,寻求材料最优分布,并在对其进行静力分析和模态分析的基础上,以体积百分比为约束条件,以板架固有频率为目标函数,得到拓扑优化后的结构型式,新结构型式使材料分布更加合理,有利于舱室顶部管道和电缆等的铺设。研究表明,在目前的板架结构设计中,可广泛应用结构拓扑与形状优化设计技术。     

Rule-based optimization of midship structures

A rule-based overall design methodology for midship structures of small inland waterways vessels is presented. It is shown how the designer, under conflicting requirements, can select the optimum design by using a combined objective function with priority factors assigned to individual design criteria. The concept of optimization, in large-scale structural design problems, is extended to the local members (the stiffening elements) of the ship structure, so that the stiffeners can be specified by their actual dimensions instead of section moduli. The effects of price-structure (labour rate to material price ratio) and the choice of type of stiffener on design are investigated. Standard sections and optimized fabricated sections are taken as the alternative options for selecting the stiffeners. Conversion of exact mathematical optimum solutions into production-oriented designs is also demonstrated in a series of practical applications of the proposed method.     

船舶肘板拓扑优化设计

目前,船舶构件之间主要由传统的三角形肘板连接,这种肘板易在构件与肘板的连接处造成应力集中.提出一种肘板拓扑优化的设计方法,采用子模型技术对船舶肘板节点结构进行应力分布精细化分析,以肘板材料的分布作为设计变量,考虑肘板连接的桁材应力约束,极小化肘板与桁材连接部位的应力,对船舶典型节点肘板结构进行拓扑优化.在对肘板拓扑优化结果进行适当的工程化处理后,提出一种新的肘板结构型式.计算结果表明,相对于传统的三角形肘板,新型肘板结构有效降低了节点应力集中,可为此类结构的强度分析与优化设计提供有益的参考.     

纵倾优化技术在配载仪软件中的实现

纵倾优化技术是提高船舶运营效益,降低航行能耗的新兴技术。配载仪是作为评估船舶安全性的关键设备,如何在现有的配载系统中融入纵倾优化技术是文章研究的主要内容。文中结合某液化石油气船配载仪的研制任务,在拥有自主知识产权的配载仪软件中新增纵倾优化功能模块,以此达到节能的效果。该模块通过结合计算流体力学的仿真分析或者来自于船模试验的数据,采用双线性插值算法找寻指定航速与吃水条件下的最优纵倾。     

基于ANSYS Workbench拓扑优化对止动架轻量化的研究

针对止动架重量过大及焊接、维修工艺性差等问题,本文提出将拓扑优化方法应用到止动架轻量化设计中。首先,进行三角板模型的静应力有限元计算,并对三角板模型进行拓扑优化,通过对比三角板模型优化前后的计算结果,验证了拓扑优化方法的可行性。然后将拓扑优化方法应用到止动架结构优化设计中,达到了轻量化设计的目的。该方法可应用于同类大型焊接结构件的轻量化设计,具有一定的工程应用价值。     

船艉结构静动态多目标优化设计

建立用于船体结构静动力学性能一体化设计优化的2种多目标优化模型:基于多目标遗传算法的多目标优化模型和基于多学科优化技术的多目标协同优化模型。模型均使用矩阵描述由板材厚度和骨材型号构成的离散设计变量集,以结构质量最小化和最大加速度最小化组成多目标函数。以某集装箱船艉部结构为例,对其进行了结构静力学、动力特性和动力响应的计算分析与优化设计。优化后的结构不仅具有更轻的质量、更低的振动水平,而且具有更高的固有频率储备,同时仍满足强度和刚度要求。     

轮印载荷下多跨梁最危险工况分析与优化

多种轮印载荷工况作用于船舶多跨梁结构时,找到最危险工况并进行结构优化设计,对于船舶结构的安全校核与降低结构重量有重要意义。提出一种将遗传算法与有限元方法相结合,以多跨梁上轮印载荷的布置位置为设计变量,载荷间的间距大小为约束条件,每一跨的最大弯矩和最大剪力为目标函数,求解任意多跨梁上有多种轮印载荷作用时最危险工况的方法,并根据最危险工况分析的结果调整支座位置,降低多跨梁最大弯矩,并进一步进行构件尺寸的优化设计。计算结果表明：基于提出的多跨梁优化设计方法,能找到每一跨应力满足强度要求的剖面积最小的构件尺寸,且构件尺寸的变化对最危险工况时的最大弯矩与轮印载荷位置几乎没有影响。调整支座位置的优化方案,与支座初始位置方案相比,最危险工况时的最大弯矩降低22.64%,重量降低10.55%,因此支座位置的调整,能有效降低最危险工况时的最大弯矩,从而达到降低多跨梁重量的目的。     

轮印载荷下多跨梁最危险工况分析与优化

  目的  快速、准确地对大量装载方案进行分级,获得对结构设计要求相近或决定结构设计的装载方案,对装载甲板多跨梁结构设计具有重要意义。  方法  提出一种轮印载荷下多跨梁装载方案分级方法。对于给定的多跨梁结构与装载对象,首先整理出可能的装载方案,通过轮印载荷下多跨梁最危险工况分析方法,求解每种装载方案下多跨梁的最大弯矩、最大剪力和最大挠度;然后将这些计算结果作为装载方案的样本特征,通过XB指数与模糊C均值（FCM）算法,将装载方案进行分级。分析三跨梁和四跨梁跨距比、惯性矩比对分级结果的影响。  结果  计算结果表明,不同结构方案多跨梁分级结果并不完全一致,但等跨等刚度多跨梁分级结果用于不等跨距或变惯性矩多跨梁的结构响应计算,与实际最危险工况结果间的误差小于2%。  结论  分析的多轮印载荷下多跨梁装载方案之间的关系可为多轮印载荷下装载甲板结构设计提供参考。