集装箱船结构静动态协同优化设计研究

论文摘要

集装箱船是海运市场中主力船型之一,其结构设计是一个涉及多学科且各学科高度关联耦合的大型系统,所以结构设计中需要综合考虑各学科的相互影响。船体是一个复杂的有机整体,必须满足各种性能要求——功能要求、经济性要求、强度要求、工艺要求等。就强度性能而言,静强度、振动、冲击、疲劳、可靠性等都是结构设计中应当考虑的因素。本文综合考虑结构静力学性能和动力学性能,对某集装箱船结构进行了静动态协同优化设计研究。主要研究内容如下:1.结构优化综述介绍船体结构优化方法和MDO(多学科设计优化方法)的研究进展,重点讨论了动力学优化和MDO的研究内容和领域。2.建立计算模型研究基于规范的集装箱船全船三维协同有限元建模技术。计算影响船体振动的附连水质量;研究引起船体振动的主要外载荷,计算螺旋桨引起的脉动压力、轴承力和主机运转中产生的不平衡力矩。研究强度和动力响应衡准,确定相关约束。3.动力学分析研究复杂板架结构主模态提取技术,对船体结构进行动力特性分析。采用时域分析方法对集装箱船的稳态动力响应进行早期预报,计算结果表明该船动态性能良好。4.模糊评判设计变量应用灵敏度分析技术,计算各初步设计变量对静力学参数、动力特性和动力响应的灵敏度。根据模糊综合评判理论,提出在不同截断水平下多学科设计优化设计变量的选择方法。研究表明该方法简单易行,有很强的操作性。5.改进协同优化方法系统深入的研究协同优化方法的数学模型、计算框架。在讨论标准协同优化方法的优缺点和一致性约束在计算中出现的问题及现有的一些改进措施之后,提出改进的协同优化方法MRCO,通过NASA的标准算例证明了改进的协同优化方法的可靠性。6.静动态协同优化研究结构静动态协同设计优化数据流向、组织方式及可行性问题,搭建了静动态协同优化的计算构架。以加筋板为算例对结构静动态协同优化方法进行了研究和验证,结果表明该方案可行。应用该模型对集装箱船进行了结构静动态优化设计,得到了优于静力学和动力学单学科优化的协同优化结果,说明该模型可用于工程问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 船体结构优化设计综述
• 1.2.2 优化算法
• 1.2.3 动力学优化
• 1.2.4 多目标设计优化
• 1.2.5 多学科设计优化
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 集装箱船结构有限元模型
• 2.1 有限元基本理论
• 2.2 船体基本参数
• 2.3 三维有限元模型的建立
• 2.3.1 坐标系的选择
• 2.3.2 建立有限元模型
• 2.3.3 边界条件
• 2.3.4 舷外水压力
• 2.3.5 螺旋桨激振力
• 2.3.6 主机激振力
• 2.3.7 阻尼
• 2.4 衡准
• 2.4.1 强度衡准
• 2.4.2 动力特性衡准
• 2.4.3 动力响应衡准
• 2.5 本章小结
• 第3章 整船结构动力学分析
• 3.1 概述
• 3.2 结构动力学有限元分析
• 3.2.1 实特征值分析
• 3.2.2 结构响应分析
• 3.3 船体结构实特征值分析
• 3.4 船体结构瞬态响应计算
• 3.5 本章小结
• 第4章 结构优化设计变量分析
• 4.1 结构优化设计数学模型
• 4.1.1 设计变量
• 4.1.2 目标函数
• 4.1.3 约束条件
• 4.2 结构灵敏度分析基本理论
• 4.2.1 理论基础
• 4.2.2 灵敏度分析技术
• 4.3 船体结构设计响应灵敏度分析
• 4.3.1 设计变量
• 4.3.2 静力学灵敏度分析
• 4.3.3 固有频率灵敏度分析
• 4.3.4 动力响应灵敏度分析
• 4.4 船体结构多学科设计优化设计变量模糊综合评判
• 4.4.1 基本理论
• 4.4.2 模糊综合评判
• 4.4.3 船体结构设计变量的模糊评判
• 4.5 本章小结
• 第5章 协同优化方法研究及其改进
• 5.1 协同优化方法
• 5.1.1 概述
• 5.1.2 数学模型
• 5.1.3 求解过程
• 5.1.4 优点
• 5.1.5 缺点
• 5.1.6 已有的改进协同优化方法
• 5.2 多目标降阶协同优化方法
• 5.2.1 应用1 范数不等式约束协同优化方法
• 5.2.2 消除量纲影响的多目标协同优化方法
• 5.2.3 多目标降阶协同优化方法的数学模型
• 5.2.4 多目标降阶协同优化方法的算法结构
• 5.2.5 多目标降阶协同优化方法的计算步骤
• 5.2.6 算例验证
• 5.3 本章小结
• 第6章 整船结构静动态协同优化
• 6.1 静动态协同优化数学模型
• 6.1.1 学科级优化
• 6.1.2 系统级优化
• 6.1.3 静动态协同优化模型计算结构
• 6.1.4 静动态协同优化的分析步骤
• 6.2 加筋板结构静动态协同设计优化
• 6.2.1 静力学、动力学优化
• 6.2.2 静动态协同优化
• 6.3 整船结构静动态单学科设计优化
• 6.3.1 设计变量的选取和优化方法
• 6.3.2 整船结构静力学优化
• 6.3.3 整船结构动力学优化
• 6.4 整船结构静动态协同设计优化
• 6.4.1 设计变量和优化方法
• 6.4.2 优化结果分析
• 6.5 不同优化结果对比和强度校核
• 6.5.1 优化结果对比
• 6.5.2 强度校核
• 6.6 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 详细摘要