基于响应面法的集装箱船优化设计研究

论文摘要

随着全球贸易的快速增长,以高效、便捷为特点的集装箱船运输逐渐赢得了运输市场,并成为航运业发展的主流。由于集装箱船具有宽大的开口,因扭转而产生的结构破坏成为集装箱船结构破坏的主要因素。因此,在满足扭转强度要求的条件下,进行结构优化设计以提高其经济性成为造船界普遍关心的问题。为了更加有效、合理、简洁地分析集装箱船的扭转力学特性,本文首次将响应面的概念引入到船舶优化问题中,用响应面函数模拟集装箱船在纯扭转状态下的应力状态。利用有限元方法建立集装箱船舱段模型,通过敏感度分析,选取合适的响应面自变量,运用正交试验方法模拟集装箱船受力之后的力学行为,建立了以舷侧外板厚、内壳板厚、底板厚、甲板边板厚、双层底高度和双舷侧宽度为自变量的最大应力值二次响应面函数。论文对该响应面函数在集装箱船结构优化设计中具体应用进行较深入的研究,建立了以结构重量最小为优化目标、以应力响应面函数及集装箱船舶设计规范的要求为约束条件、以罚函数法与分枝界定法相结合的约束非线性混合整数优化法为求解手段的集装箱船结构优化设计模型,并对某700箱集装箱船进行了中剖面的结构优化设计,优化后船体中部一个货舱段的重量下降7.34%,体现了本优化方案的可行性和有效性。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 集装箱船的特点及其扭转强度
• 1.2 优化设计研究现状综述
• 1.3 响应面法研究简述
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 集装箱船响应面的构成
• 2.1 试验的设计
• 2.1.1 力学分析模型
• 2.1.2 集装箱船有限元分析
• 2.2 响应面参数及形式的选取
• 2.2.1 响应面参数的灵敏度分析
• 2.2.2 响应面函数形式的选取
• 2.3 试验设计方法
• 2.4 响应面函数的拟合
• 2.4.1 响应面函数的拟合方法
• 2.4.2 拟合优度指标
• 2.5 集装箱船响应面
• 第三章 集装箱船横剖面优化设计
• 3.1 最优化设计方法的基本理论
• 3.1.1 最优化设计方法概论
• 3.1.2 优化问题的数学模型
• 3.1.3 目标函数
• 3.1.4 设计变量
• 3.1.5 约束条件
• 3.2 约束非线性混合整数优化
• 3.2.1 有约束非线性规划问题
• 3.2.1.1 惩罚函数法外点法
• 3.2.2 离散优化问题
• 3.2.2.1 分枝界定法
• 3.2.3 MATLAB 实现
• 第四章 算例及结果分析
• 4.1 集装箱船的主要参数和结构形式
• 4.2 建立目标函数及初值
• 4.3 设计变量初值及约束条件
• 4.3.1 设计变量
• 4.3.2 约束条件
• 4.4 算例与分析
• 4.4.1 响应面函数
• 4.4.2 数学模型
• 4.4.3 优化结果
• 第五章 结论与展望
• 5.1 研究成果和结论
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢