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。     

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。     

基于动力学优化的大跨度板架区域支柱拓扑布局研究

大跨距结构是舰船的典型结构特征之一。大跨距结构的低刚度特征导致结构位移及振动幅值较大，使减振设计难度较大。该文分析了某舰船在艏侧推激励下大跨度板架区域结构振动。针对大跨度板架下支柱的布局，建立拓扑优化基结构，采用变密度法（SIMP法）建立以结构质量最轻为目标函数，考虑指定位置处振动速度约束的看台支柱布局拓扑优化模型，进行动力学拓扑优化设计。研究表明：采用文中给出的大跨距支柱拓扑布局优化方法可得到1套振动控制性能良好的支柱布置方案，该方法可以减少繁复的设计及动力学计算工作量，得到更好的减振效果。     

水压工况下船底结构拓扑优化设计

针对典型的船底结构,考虑其在水压工况下的特殊环境,本文研究船底结构拓扑与形状优化设计。首先,为了让结构重量在水压工况的标准下能够尽量减小,本文对船底结构的形状以及尺寸进行改进,使其船底结构的尺寸缩减了14.19%;其次,为了让船底结构的空间布局更加合理,对船底结构进行拓扑优化,增加船底结构的固有频率。通过模态分析,研究船底结构的应力约束,将得到的固有频率作为拓扑优化过程中的目标函数。研究结果表明,优化后的新船底结构在水压工况下布局分布更加合理,并且有利于船底的仪表仪器安装以及线路的铺设等。     

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。     

超长舱段加筋圆柱壳结构优化设计

针对超长舱段加筋圆柱壳结构,分别基于等刚度和变刚度的设计理念,采用遗传算法对其结构进行优化设计研究,探究了不同分段方案以及不同材料参数对其优化设计方案的影响,优化结果表明,当材料的屈服强度较低时,由于受到强度条件限制,分别采用变刚度和等刚度的设计理念优化得到结构方案差异较小;而当采用高强度材料时,稳定性为结构设计的积极约束条件,采用变刚度的设计理念可以得到重量更轻的设计方案;同时,不同的分段方案对优化结果也有一定的影响.     

工程结构的拓扑优化设计研究

本文讨论了连续体结构拓扑优化的均匀化方法及其相关理论，分别针对静力问题和特征值问题建立了相应的结构拓扑优化模型。目前有关结构拓扑优化的工程应用研究还很不成熟，尤其在国内尚尾于起步阶段。本文将结构拓扑优化设计理论应用于实际工程结构的概念设计之中，并取得了较好的优化效果。通过对经典算例和某卫星构架子结构的拓扑优化计算，表明本文建立的结构拓扑优化模型能够有效地应用于工程结构的拓扑优化设计，从而为工程结构的结构型式选取提供了有价值的概念设计方案。     

基于SIMP拓扑优化理论的结构概念设计研究

为了探讨机床结构概念设计问题,并提供符合工程实际的、用于概念设计阶段的机床结构设计方法,文中将拓扑优化方法与有限元结合应用于结构概念设计进行了研究。以UG作为CAD造型平台,以ANSYS作为CAE有限元建模和分析平台,采用SIMP(Solid Isotropic Material with Penalization)拓扑优化理论建立数学模型,并应用改进的启发式拓扑优化准则算法进行数学模型的求解,得到经过拓扑优化的结构概念设计的方案模型。文中将拓扑优化方法与CAD/CAE系统进行集成应用于解决船舶舵叶连接法兰面加工专机的升降台的拓扑结构优化。优化结果为结构详细设计阶段的形状优化和截面优化提供设计优化区域和原型。从结构概念设计的结果看出,其优化设计过程较稳定、有效,能够满足工程上概念设计的需要。     

VLCC结构优化设计研究

着重介绍了VLCC中横剖面结构优化设计,涉及合理分舱、纵骨剖面及间距、支撑结构等设计考虑。在保证结构强度、刚度、疲劳寿命的前提下,追求最轻的空船重量、最简单的工艺、最方便的施工。     

面向对象的船舶舯剖面优化设计初探

探讨了船舶舯剖面结构优化设计中面向对象方法的初步应用。在对优化设计过程进行面向对象的分析、设计后，提出了一个中横剖面优化设计对象模型。最后给出了一个完整的优化设计实现过程。     

基于拓扑优化的油船货舱结构设计研究

研究油船货舱结构拓扑优化设计和普通构件级结构拓扑优化设计的不同点:如设计变量数目多、约束条件多、计算工况多以及计算工况之间应变能差异等。为使普通计算机也能运行舱段结构拓扑优化计算并得到清晰拓扑构型的结果,有必要对舱段拓扑优化设计的优化对象、单元类型、初始板厚、工具方法、约束条件、体积分数、工况加权权值等主要控制参数进行研究。文中给出工程上适用的舱段拓扑优化基结构建模方法和计算方法,并以某一单纵舱壁型VLCC为例,分别采用SIMP法和BESO法给出舱段主要支撑结构拓扑优化的清晰构型。     

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。     

基于多层次法的浮箱结构优化设计

对浮箱进行结构优化可减轻结构自重以提高有效载重量，从而能够满足更大吨位的载重要求，改善经济性。针对浮箱的板梁结构形式特点，采用综合应用双向渐进结构优化（BESO）和响应面法（RSM）方法的多层次结构优化设计方法，进行浮箱结构优化设计，涵盖尺度优化、拓扑优化和截面优化3个层次。该方法的核心是使用BESO方法从基结构中获得优化解。在尺度优化层次，根据不同的主要尺度参数建立相应的基结构模型，应用BESO法得到相应优化解，并建立响应面模型进行尺度优化求解。在拓扑优化层次，根据最优尺度参数重新建立基结构模型调用BESO法求解，得到最优拓扑。由于最优拓扑解存在锯齿边，在截面优化层次需要对各截面进行光滑处理。将光滑处理问题转化为对截面参数的求解，建立截面参数与优化目标的响应面模型，最终确定各截面形状。通过某浮箱的结构优化设计实例，验证了多层次结构优化设计方法的可行性和有效性。     

某船用齿轮结构拓扑优化设计

为提高某船用齿轮结构材料利用率实现其轻量化设计,将拓扑优化技术应用于齿轮结构优化设计。将齿轮截面作为研究对象,将其简化为一平面有限元问题。以齿轮单元密度作为设计变量,最大化齿轮结构刚度为目标函数,轮辐部分优化前后体积比作为约束,对其进行拓扑优化。研究不同轮辐数量、不同体积比情况下齿轮的结构传力路径。结果表明:轮辐部分体积比在0.4~0.6范围时,结构具有较好的刚度,并且加工工艺性优良。本文对于齿轮轮辐部分的拓扑优化结果为实际工程设计提供了指导。     

62000 DWT纸浆船结构设计

基于CCS船级社规范,根据62000 DWT纸浆船的结构布置特点,在保证船舶强度可靠性和船员居住舒适性前提下,开展结构轻量化和构件数精简化设计以及振动和噪声预报研究,提高该船型的性能和市场竞争力.设计初期采用有限元计算与规范计算相结合的方法,对大开口货舱中横剖面结构和布置进行优化,提高优化方案的精准度和可行性.首次应用水动力方法计算砰击载荷校核船首部平底区域砰击强度,减少首部双层底纵桁和肋板的设置数量.采用箱型结构型式的顶撑加强,有效降低主机(5缸)对船体结构振动的影响.     

船身截面结构优化设计

合理的船舶截面设计方案是提高船舶结构设计质量以及航行安全性的重要途径,为了提高船舶结构截面刚度,本文将有限元法与变密度理论相结合,将整个船身截面作为设计区域。以结构密度作为设计变量,最小化结构柔度作为设计目标函数,对船身截面进行优化设计。本文优化得出的船身截面对原船身结构改动不大,同时具有较好的结构加工工艺性,可为船舶结构刚度设计提供参考。     

基于有限元分析的自升式平台桁架腿选型优化设计

桁架腿作为自升式平台最为常见的桩腿结构型式,其拓扑型式、结构形状和构件尺寸设计对平台结构响应有重要影响。针对这一问题．笔者将有限元分析和数值优化方法有机结合,建立了复杂环境下桁架腿结构的多约束条件的优化模型,应用ANSYS优化模块进行求解。优化过程中,针对两层设计变量耦合困难的问题,分层优化方法。为验证优化模型和方法的可靠性,对某自升式平台桁架腿进行了选型优化设计。优化结果表明,本文采用的优化模型和方法简单实用,优化效果显著,为自升式平台桁架腿的概念设计提供了一种有效工具。     

船舶非收放式减摇鳍执行机构支承座优化设计

针对非收放式船舶减摇鳍装置执行机构支承座质量大,结构不合理的特点,采用ANSYS Workbench的优化模块对其进行结构优化设计,给出支承座的新结构。实际应用后证明,该优化设计减小了产品重量,其结构更加合理,同时也降低了产品的生产成本。     

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。     

悬臂拓扑优化结构强度刚度特性试验研究

本文以舰船舵叶内部钢质骨架结构优化设计为背景,以弯扭复杂载荷作用下悬臂含筋结构响应特性分析为对象,基于渐进结构拓扑优化方法进行计算分析,得到不同载荷作用下拓扑优化后的结构方案。然后采用FDM技术,分别制备了典型悬臂含筋结构及优化方案试验模型,并对不同方案模型强度及刚度特性试验结果进行对比分析,结果表明:拓扑优化方案较典型结构方案质量减轻12.84%,且应力分布更均匀,位移变换更平缓,有效的提高了材料利用率。