建屋三型游船船体钢结构有限元分析及优化设计

论文摘要

建屋Ⅲ型游船是苏州建屋集团投资兴建的双体船，航行于苏州金鸡湖湖区。建屋Ⅲ型游船船体钢结构的结构形式为横骨架式结构。建屋Ⅲ型在主甲板区域布置有一个18*10m的大厅，中间没有支柱，因此需要对它进行结构有限元分析，验算强度是否满足。另外金鸡湖深为1.8m，而建屋Ⅲ型设计吃水为1.65m，为保证吃水不超过要求，本船对船体钢结构的重量控制要求很严，因此，需要在满足强度的基础上，进行结构优化分析。基于有限元理论的船舶强度直接计算法改变了用传统的梁理论来校核船体钢结构强度的方法。使用直接计算法，在合理建立船体钢结构有限元模型的基础上，可以求出整船的应力状态。本文的有限元计算正是在以上前提下进行的。本论文的主要研究包括：1.本文利用MAXSURF软件创建建屋Ⅲ型游船片体曲面，用Hyperworks软件对建屋Ⅲ型游船船体钢结构进行几何建模和有限元分析，加快了建模速度，得到了较为满意的结果。参考CCS的散货船和双舷侧散货船的直接计算指南，选取较为合理的约束形式，对船体钢结构进行了整船的静态三维有限元强度计算分析。计算出船体钢结构的变形和应力分布，并与相应的强度标准进行比较，符合强度标准的要求。对建屋Ⅲ型船体钢结构进行结构分析与研究将对内河游船大跨距结构的设计有一定的参考和借鉴作用。2.基于有限元分析的结果，对建屋Ⅲ型游船船体钢结构的箱型框架U型梁进行尺寸优化和对U型横梁进行局部拓扑优化；以结构重量作为目标函数，结构应力和位移作为主要的约束条件，选择合适的设计变量；通过优化，重量由339.904吨降为287.777吨。优化结果表明，能够在结构应力和位移不超过规定上限的条件下使结构重量降低，最终达到了预期的优化目标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 开展研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 船体结构有限元强度分析
• 1.2.2 结构优化设计简介
• 1.3 研究内容
• 1.4 研究思路
• 第二章 结构有限元分析概述
• 2.1 直接计算法的发展
• 2.2 有限元法分类
• 2.2.1 线弹性有限元法
• 2.2.2 非线性有限元法
• 2.3 有限元法的基本方程
• 2.3.1 基本方程的矩阵形式
• 2.3.2 平面应力问题及其基本方程式
• 2.4 分析方法及有限元法概念
• 2.4.1 分析方法
• 2.4.2 有限元基本原理
• 2.5 有限元法在船体结构分析中的应用
• 2.6 在应用过程中有限元法的优缺点
• 2.6.1 有限元法的优点
• 2.6.2 有限元法的缺点
• 2.7 本章小结
• 第三章 建屋Ⅲ型游船船体钢结构有限元分析
• 3.1 船舶设计软件 MAXSURF 和有限元分析软件 Hyperworks 简介
• 3.1.1 船舶设计软件 MAXSURF 简介
• 3.1.2 有限元分析软件 HyperWorks 简介
• 3.2 建屋Ⅲ型游船船体钢结构三维有限元模型的创建
• 3.2.1 几何模型的建立
• 3.2.1.1 片体几何模型的建立
• 3.2.1.2 主体几何模型的建立
• 3.2.2 划分网格，创建有限元模型
• 3.3 建屋Ⅲ型游船船体钢结构的外载荷计算原理
• 3.4 总强度计算边界条件及加载
• 3.5 计算结果
• 3.6 本章小结
• 第四章 建屋Ⅲ型游船船体钢结构优化分析
• 4.1 优化设计概述
• 4.2 U 型梁的尺寸优化
• 4.2.1 尺寸优化设计的数学模型
• 4.2.2 尺寸优化分析过程和计算结果
• 4.2.2.1 尺寸优化分析过程
• 4.2.2.2 计算结果及分析
• 4.3 局部 U 型横梁拓扑优化
• 4.3.1 拓扑优化数学模型
• 4.3.1.1 均匀化方法
• 4.3.1.2 变密度法
• 4.3.1.3 拓扑优化的基本流程
• 4.3.2 有限元分析
• 4.3.4 拓扑优化设计
• 4.3.4.1 优化问题的数学模型
• 4.3.4.2 拓扑优化迭代过程和计算结果
• 4.3.5 U 型横梁最终设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结和展望
• 5.1 本文总结
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 附录A