基于极限承载能力的江海直达船结构轻量化设计研究

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为满足国家需求，发展长江黄金水道，推行江海联运，同时节能环保也是时代需要，所以有必要对江海直达船进行结构优化设计，使其达到节能减排的目的，发挥示范性作用。因船体极限承载力的强度衡准方法更加接近船舶真实强度，以它作为指标，优化空间更大。本文从极限强度计算方法与结构优化方法两方面入手，以极限强度与重量两个指标为目标进行多目标优化研究，探讨了江海直达船在垂弯与弯扭组合载荷下的极限强度行为，并以《江海通航船舶建造规范》作为约束，探讨了规范对优化效果的影响，进而进行优化设计。本文的主要研究内容与成果如下：
　　（1）对比了几种极限强度计算方法及其特点，同时介绍了结构优化理论、优化方法与优化平台。确定了本研究基于非线性有限元方法计算船体极限强度，以Isight优化平台驱动仿真流程的优化方法。
　　（2）以Nishihara箱型梁为例，研究了箱型梁参数化模型的建模方法，重点讨论了考虑骨材间距可变情况下的建模方法。通过Isight驱动Abaqus进行实验，由优化拉丁超立方方法确定采样点，得到变量与响应之间的敏感性关系。对比分析了实验设计方法与多目标优化算法NCGA、NSGA-Ⅱ的优劣，为后续研究提供了依据。
　　（3）在前文研究的建模方法的基础上，建立江海直达船中剖面参数化模型，设计变量包括板厚、材料和骨材间距在内的44个变量，以质量与极限弯矩的双目标进行优化。由于骨材间距的变化，规范的约束也会动态地变化，在Matlab中编制《江海通航船舶建造规范》中相关的构件校核程序并以此作为约束。对实验结果进行敏感性分析，求取pareto前沿，对比讨论规范对优化效果的影响，并提出满足规范要求，重量轻且极限强度大的船体剖面结构尺寸形式。
　　（4）集装箱船大开口的结构特点使得扭转破坏不容小觑。在江海直达船弯扭极限强度模型试验与仿真的基础上，提出用货舱舱口角隅所在的3个肋位的舱段模型作为优化计算的对象，并在已有有限元模型的基础上修改、解析的方法建立参数化模型。结合前文的优化策略与约束方法，探讨了扭转对优化效果的影响，提出了满足规范要求的舱段结构尺寸形式。
　　（5）经过本文对中垂、中拱两个工况的优化计算，垂弯载荷下，相同重量的结构，可以实现多承载19.6％、16.3%（高强钢的应用），相同承载能力的结构，重量减轻4.5%、6.3%；弯扭组合载荷下，相同重量的结构，多承载3.4%、5.6%，相同承载的结构，重量减轻1.6%、2.7%。

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作者
李旭坤;
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作者单位

武汉理工大学;

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授予单位武汉理工大学;
学科船舶与海洋工程
授予学位硕士
导师姓名吴卫国;
年度 2016
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类 U674.102;
关键词
江海直达船; 结构设计; 极限强度; 多目标优化; 非线性有限元;

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