多薄弱部位游艇艇体可靠度计算及优化

摘要

玻璃钢游艇的艇体一般采用整体成型工艺，玻璃纤维纵贯艇身铺设，与基体固连形成一个连续构件。艇体与其它加强和支撑结构胶连，共同抵御外部环境载荷。游艇内部结构复杂，在交变载荷作用下，艇体会在多处产生薄弱部位。借鉴于钢制船舶强度校核方法进行的玻璃钢游艇强度校核，认为游艇最危险截面出现在艇舯，其常规整体截面弯矩的强度校核，未能完全涵盖艇体薄弱部位的校核，以提升艇体的整体可靠性。复合材料各向异性的力学特性和对缺陷敏感的特点，使得玻璃钢艇体中对薄弱部位的应力和损伤都更加敏感，薄弱部位的存在对艇体安全性能的影响，开始被人们所重视。本文以玻璃钢艇体为研究对象，以国内某游艇企业的玻璃钢游艇为例，研究不通过增加艇体局部铺层而减少其艇体中薄弱部位的方法，开展了以下研究工作:
　　1)根据游艇技术资料建立游艇结构三维模型，水动力分析获取游艇设计环境下的运动和受力情况，为有限元计算提供加载数据。分别计算游艇满客出港、满客进港时中拱、中垂四种工况下的结构应力，根据应力计算得到艇体最大蔡吴数确定四种工况中薄弱部位的计算点;采用一次二阶矩法获取41个计算点的可靠度，完成玻璃钢游艇艇体薄弱部位的可靠度计算，以可靠性指标为艇体局部薄弱的衡量标准，将艇体薄弱部位划分为9个薄弱等级。艇体中最薄弱等级对应的薄弱部位有3个，其中最薄弱点可靠性指标为1.635，薄弱区间内四种工况下的薄弱点累计总个数为25。
　　2)根据艇体多薄弱部位薄弱等级划分后最高风险级所处位置，以游艇肋骨间距、肋骨根数为设计变量，实艇肋骨可布置区间长度范围和实际生产工艺为约束条件，以游艇一阶固有频率最大为优化目标，利用接触单元进行游艇肋骨间距、布局的一级优化。经计算:一阶固有频率优化后最薄弱部位四种工况下的可靠度提高幅度最大为57.62％，薄弱等级划分区间内的薄弱部位总个数减少40％。
　　3)根据肋骨布局的一级优化结果，进行以肋骨截面的形状、尺寸为设计变量的二级优化，通过仿真实验设计筛选了肋骨形状尺寸的设计变量并建立二级优化近似代理模型。本文实例研究显示其二级优化对最薄弱部位安全性的影响未超过3％。
　　本文采用可靠性理论，实现对游艇艇体薄弱部位的等级划分，并通过分级优化方法研究减少玻璃钢游艇艇体中薄弱部位的数量、提高薄弱部位安全等级的解决方案，为提升游艇整体结构强度和艇体安全性提供参考方法和借鉴。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题的背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文的研究内容与技术路线

第2章 玻璃钢游艇结构可靠度计算与优化

2．1 游艇结构可靠度计算

2．1．1 结构可靠度计算模型

2．1．2 游艇波浪载荷理论

2．1．3 游艇强度计算的有限元理论

2．2 玻璃钢复合材料可靠度计算

2．2．1 复合材料层合板力学理论

2．2．2 复合材料可靠度计算方法

2．3 玻璃钢游艇结构设计优化方法

2．3．1 参数化有限元在结构优化中的应用

2．3．2 基于代理模型的结构优化方法

2．4 多薄弱部位结构件整体可靠度分析

2．5 本章小结

第3章 游艇艇体有限元分析与薄弱部位筛选

3．1 玻璃钢游艇水动力分析

3．1．1 游艇水动力计算模型

3．1．2 游艇运动短期预报与分析

3．2 玻璃钢游艇艇体多薄弱部位可靠度计算

3．2．1 游艇结构有限元前处理

3．2．2 游艇结构有限元结果分析

3．2．3 薄弱部位可靠度计算

3．3 游艇艇体多薄弱部位筛选

3．4 本章小结

第4章 多薄弱部位游艇艇体分级优化

4．1 基于代理模型的游艇肋骨布局优化

4．1．1 游艇结构参数化建模

4．1．2 代理模型的样本拟合与肋骨布局优化

4．1．3 一级优化对比分析

4．2 肋骨截面二级优化与结果分析

4．2．1 形状尺寸变量设置

4．2．2 二级优化与结果分析

4．3 本章小结

5．1 结论

5．2 展望

致谢

参考文献

附录

在学期间发表的学术论文