基于拓撲優(yōu)化的船舶結(jié)構(gòu)輕量化研究.pdf

1、針對船舶結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計是最近比較熱門的研究的課題，其優(yōu)化目標是在滿足船體結(jié)構(gòu)強度的條件下，減少船體鋼材的使用量。結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設計與結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化截然不同，結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的目標是探尋找到最佳的材料布局形式及最佳傳力路徑。查閱文獻可知，現(xiàn)在的船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化領域中，大部分是針對船體結(jié)構(gòu)件的尺寸優(yōu)化和結(jié)構(gòu)件的布局優(yōu)化而拓撲優(yōu)化涉及較少。另一方面，高速三體船做結(jié)構(gòu)設計時，船體結(jié)構(gòu)形式十分復雜，橫向分離彎矩和扭轉(zhuǎn)力矩對船體結(jié)構(gòu)影響很大，為滿足其剛度和強

2、度要求，就會選擇加大構(gòu)件尺寸，導致總體重量增加。但是，不論屬于哪種類型的高速船，對其自身的重量都敏感。怎樣合理的化解船舶自重與確保強度、剛度之間的矛盾關系，是高速三體船設計中亟需要去解決掉的問題。
　　結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化一直都是最具挑戰(zhàn)性和經(jīng)濟性的研究領域，而結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化在各個工程結(jié)構(gòu)中優(yōu)化和輕量化設計中又有著十分重要的現(xiàn)實意義。本文以三體船片體的艙壁結(jié)構(gòu)為對象，基于拓撲優(yōu)化設計的基本原理和分析過程，進行結(jié)構(gòu)最佳拓撲形式的分析與探索

3、:
　　(1)依據(jù)SIMP材料密度模型理論，設計變量為單元材料密度，目標函數(shù)為體積比，約束條件為靜力響應，確定優(yōu)化準則，建立完整的拓撲優(yōu)化數(shù)學模型。
　　(2)為了驗證本文拓撲優(yōu)化方法的合理與準確性，做了兩個方面的工作:一是選取三篇文獻中的拓撲優(yōu)化經(jīng)典案例L型板結(jié)構(gòu)，進行優(yōu)化求解比較;二是選取ANSYS中拓撲優(yōu)化模塊對固支梁受力做優(yōu)化求解并比較;結(jié)果表明，本文所運用的拓撲優(yōu)化方法得到拓撲構(gòu)型輪廓清晰、無附連組織結(jié)構(gòu)，各部分尺

4、寸的布局更加規(guī)整、協(xié)調(diào)。
　　(3)本文以艙壁結(jié)構(gòu)為研究對象，運用有限元方法，以英國勞氏的《Rulesfor the Classification of Trimarans》為依據(jù)，利用CAE軟件ANSYS完成該艙壁在各個工況下的分析，保證結(jié)構(gòu)強度滿足設計規(guī)范的要求，同時，以應力的傳遞和材料的布局最優(yōu)為目標，以此對結(jié)構(gòu)的目標設計區(qū)域進行拓撲優(yōu)化，從而尋找一套在經(jīng)濟、結(jié)構(gòu)強度和工藝等性能方面更加合理的設計方案。
　　(4)根據(jù)