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船体结构强度有限元分析与优化

卞钢  
【摘要】:本文对船舶结构分析及优化方法进行研究。本文具体研究内容可分为结构初级分析和高级优化两个层次,优化层次是建立在有限元分析的基础上。初级分析层又可分为静态分析和动态仿真两个分层次;优化层次按照优化方法不同,而分为ANSYS优化和二次编程开发两个分层次。 本文研究的主要内容和取得的主要结果: 1) 对组合式双体打捞船整体船体和局部撑杆作静态分析,保证结构的安全性;对浮式平台的超宽分段状态、最大沉状态和拖分段状态下的整体船体,局部绞车房作静态分析,并根据分析结果提出结构相应的修改措施。 2) 仿真内容是对船舶分段在浮式平台上移运过程中的实时计算方法进行了研究。建立了浮式平台结构三维有限元模型,由力和力矩平衡方程计算得到移运气囊支反力,使用Powell直接搜索法结合惩罚函数法优化实现对压载水舱实时配载计算,以APDL命令流的形式构造整个工作过程框架并将其分为31个载荷步加载,通过计算可以得到整个模型在任一载荷步下结构的应力和变形,以及任意部位的应力和位移随时间变化的结果。 3) 以船舶上的局部结构为研究对象,使用有限元软件ANSYS的零阶和一阶优化方法求解,并对此作了灵敏度分析;并以VFOR程序为框架,调用软件的计算功能与通用的优化算法模块相结合,方法也是可行的。对一些难以用数学模型描述的结构优化问题,可以使用有限元优化方法进行解决。 4) 结构拓扑优化内容是吸收了“基结构法”和“均匀化法”的思想,提出了“通过力传递的路径来构造拓扑”和“逐次去劣、两极分化”的拓扑优化新思路和方法,对有限元软件ANSYS的拓扑优化功能作了二次开发,拓展了ANSYS拓扑优化结构单元的适用种类,且不仅可以求解连续结构的拓扑优化问题,还可以求解桁架结构的拓扑优化问题,编制了相应程序考证了连续体和桁架两种类型的典型算例,最后将此方法应用于一个船舶板架结构优化中。


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