典型油船槽形舱壁优化和参数化建模研究

论文摘要

为了洗舱的方便,在中小型油船的结构设计中,槽形舱壁已经得到了广泛的应用。由于槽形舱壁的重量在空船结构重量中占有不小的比例,所以优化出一组合理的槽形参数,使得该槽形舱壁的结构满足规范的各项强度衡准,且总重量最轻,这对减轻空船结构重量,降低造船成本有一定的实际意义。在优化的过程中,考虑到工程项目的复杂性,优化程序通常会给出若干种相对较优的方案,以供设计者分析比较。而对每种方案分别建立有限元模型并计算分析,将导致大量的重复性工作,耗费设计者较多的时间与精力。基于以上两点,本论文以MSC. Patran为开发平台,利用Patran的二次开发工具PCL编制了槽形形状优化和参数化建模程序。该程序包含槽形形状优化模块、参数化建模模块和自动计算分析模块。三个模块之间相对独立但又彼此数据共通。优化模块以槽形舱壁单位长度的平均重量为目标函数,并依据油船共同规范,从局部抗弯强度、抗剪强度、槽形面板稳定性和总体抗弯强度四个方面定义了槽形形状优化问题的约束条件,建立了该问题的数学模型。根据不同的要求,优化程序可以给出几组优化解,供设计者选择。在优化结果的基础上,结合舱段的其它信息,参数化建模模块被用来快速生成典型油船船舯区域的三舱段模型。自动计算分析模块根据油船共同规范的要求施加载荷与边界条件,并利用Nastran求解位移刚度矩阵,最终得到该组方案下槽形舱壁的应力分布信息。这样一来,结构设计师就可以根据应力结果对各个设计方案进行筛选比较,节约了优化设计过程中结构有限元的建模时间。由于参数化建模模块主要使用了程序参数化方法和基于几何造型的有限元建模法,所以在参数化建模部分,本文主要解决了以下两个关键技术问题：1、如何通过参数描述模型的几何特征；2、如何将几何对象离散为符合规范要求的有限元单元。为此,程序将三舱段模型分为数个子区域,分别创建各个区域的几何外形。并在几何内部和边界添加控制约束,由Patran软件的网格生成器自动划分各几何区域的网格。最后,本文以三艘原油/成品油船为例,测试了这三个模块的适用性。其中的槽形形状优化模块还应用到其他三个合同项目的槽形结构设计中。通过这些设计实例证明该程序具有较强的工程实用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 论文的研究背景和意义
• 1.2 槽形形状优化的发展与现状
• 1.3 参数化设计方法的研究现状
• 1.4 船舶结构有限元参数化建模的研究现状
• 1.5 论文的主要工作
• 第2章 开发平台介绍
• 2.1 MSC.Patran介绍
• 2.2 PCL语言介绍
• 2.2.1 概述
• 2.2.2 PCL的语言结构
• 2.3 本章小结
• 第3章 基于油船共同规范的槽形形状优化
• 3.1 槽形舱壁的结构特点
• 3.2 最优化设计介绍
• 3.3 槽形形状优化的数学模型
• 3.3.1 目标函数
• 3.3.2 设计变量
• 3.3.3 约束条件
• 3.3.4 槽形优化问题的数学表达式
• 3.4 槽形优化问题的数学求解
• 3.5 本章小结
• 第4章 油船舱段结构有限元参数化建模及计算分析
• 4.1 引言
• 4.2 参数的表达
• 4.3 Patran中控制网格的方法
• 4.4 一般区域的建模算法
• 4.4.1 创建几何
• 4.4.2 划分网格
• 4.4.3 定义属性
• 4.5 特殊区域的建模算法
• 4.5.1 上甲板
• 4.5.2 槽形舱壁
• 4.5.3 顶凳底板和底凳顶板
• 4.5.4 壁凳边板
• 4.6 生成三舱段模型
• 4.6.1 模型的镜像
• 4.6.2 模型的延伸和复制
• 4.7 载荷
• 4.7.1 静载荷
• 4.7.2 动载荷
• 4.7.3 调整船体梁剪力和弯矩
• 4.7.4 施加载荷
• 4.8 边界条件
• 4.9 工况
• 4.10 应力衡准及强度校核
• 4.10.1 屈服校核
• 4.10.2 屈曲校核
• 4.11 本章小结
• 第5章 工程应用实例
• 5.1 槽形形状优化
• 5.2 参数化建模及计算
• 5.2.1 自动建模
• 5.2.2 计算分析
• 5.3 程序适用性验证
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录