航行与结构性能多学科设计优化技术研究

论文摘要

本文针对船舶航行与结构性能多学科设计优化中的若干研究热点问题进行了系统研究。研究内容主要包括:航行与结构性能多学科设计优化的基础技术-CAD/CAE接口技术,参数化建模技术,网格自动划分技术;船舶结构性能设计优化中的屈曲强度校核研究;航行性能中的艇体水动力性能计算、绕流场仿真及线型优化;航行性能中基于数值计算法的螺旋桨设计优化。首先介绍了船舶航行与结构数值计算方法及优化理论。其次针对有限元计算、设计优化模型的需要,建立了流体、结构、SHIDS数据库等之间的接口转换程序,实现了从SHIDS数据库中提取船型、螺旋桨数据,通过曲线差值,曲面合并,实体剖切,创建了几何模型,开发了一套适用于船、艇、桨的参数化网格自动划分程序;针对导入导出时网格缝隙问题,给出了基于邻接矩阵的网格缝隙分类及修补优化方法;针对应力集中区域的粗细网格计算精度要求,给出了将粗网格模型分析的计算结果作为细网格模型分析的边界条件的方法,实现了基于过渡单元的有限元细划分算法。结果表明,使用这些方法不仅能快速建模,而且优化后的网格布局更合理,计算精度更高;不仅兼顾整船有限元分析,而且能对关键区域进行局部分析。接下来针对船体结构屈曲问题,研究了船体共同结构规范,提出了强框架的自动识别算法,实现了船舶板格屈曲评估系统,打破了过去仅靠手工计算难以实施大规模屈曲校核的障碍,提高了船舶设计阶段的分析效率,该方法已被纳入中国船级高级屈曲评估直接计算体系。最后对满足总体布置要求但还未确定给定航速下最优阻力的潜艇,提出一种使用自动化程序进行数值计算的选优方法。对螺旋桨的数值优化,使用试验设计方法的拉丁方法探索并缩小设计空间,使用全因子法再次优化,用DFSS和Kriging模型进行鲁棒性的设计及优化。结果表明,基于自动化的数值计算不仅能对潜体阻力进行预报,且在一定程度上可以对艇型进行优选优化;螺旋桨的数值设计优化,缩短设计时间,为新型螺旋桨叶梢形状研究奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 现状及进展
• 1.3 论文研究内容与取得成果
• 1.4 科研项目支持
• 第二章 理论基础及优化方法
• 2.1 引言
• 2.2 船舶结构力学与有限元法
• 2.3 CFD与有限体积法
• 2.4 优化理论及方法
• 第三章 接口与参数化建模
• 3.1 引言
• 3.2 接口开发
• 3.2.1 Tribon与Patran接口
• 3.2.2 Patran与Fluent接口
• 3.2.3 其它接口
• 3.3 SHIDS数据提取及参数化建模
• 3.3.1 船型线性生成及船体结构模型
• 3.3.2 潜艇艇体及计算域
• 3.3.3 螺旋桨及计算域
• 3.4 小结
• 第四章 网格模型优化处理
• 4.1 引言
• 4.2 简单模型与网格划分
• 4.2.1 结构网格与船体有限元模型
• 4.2.2 CFD网格与艇体、螺旋桨模型
• 4.3 复杂模型的网格修补及优化
• 4.3.1 基本原理和定义
• 4.3.2 缝隙发现及分类
• 4.3.3 缝隙修补及优化
• 4.4 使用过渡单元的网格细化
• 4.4.1 船体结构细节细化要求
• 4.4.2 过渡单元性能评估
• 4.4.3 过渡单元构造方法
• 4.4.4 有限元细化算法
• 4.4.5 几种典型结构的细化结果
• 4.4.6 某货舱区舱口角隅的细化分析
• 4.4.7 某船局部精细网格分析
• 4.5 小结
• 第五章 船体结构屈曲强度分析
• 5.1 引言
• 5.2 舱室及屈曲强度要求
• 5.2.1 舱室及板格定义
• 5.2.2 屈曲强度一般要求
• 5.2.3 板格评估准则
• 5.2.4 校合流程及功能框架
• 5.3 单元识别及板格划分算法
• 5.3.1 板单元的识别算法
• 5.3.2 舱壁判别方法
• 5.3.3 搜索邻接面初始单元算法
• 5.3.4 板格智能划分算法
• 5.4 单元评估及结果分析
• 5.4.1 任务分配
• 5.4.2 运算过程
• 5.4.3 后处理及结果分析
• 5.5 小结
• 第六章 艇体线型优化
• 6.1 引言
• 6.2 基于自动化的数值优化算法
• 6.3 控制方程和湍流模型
• 6.4 艇型数值优化试验结果及分析
• 6.4.1 基准模型
• 6.4.2 边界条件和求解方程及参数
• 6.4.3 艇体曲线及其数值优化结果
• 6.5 小结
• 第七章 螺旋桨设计优化
• 7.1 引言
• 7.2 优化目标及变量选定
• 7.3 性能优化算法及结果分析
• 7.3.1 DOE优化算法
• 7.3.2 近似模型及优化算法
• 7.3.3 鲁棒性优化
• 7.4 小结
• 第八章 结论及展望
• 8.1 论文总结及创新点
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：攻读博士学位期间发表的论文及科研课题