大型拖缆机零部件结构优化设计及实验验证

摘要

大型拖缆机是海洋能源开发的重要辅助工具。拖缆机一般是为了海洋平台搭建、收放缆等工作而设计的。由于现阶段大型拖缆机的结构设计仍然相对保守，在同类型拖缆机产品中，国外的同型拖缆机普遍比国内拖缆机在质量上轻10％左右。针对零部件对不同性能的要求，本文对拖缆机的零部件进行结构优化设计并且进行仿真和实验验证。为开展甲板机械新的结构优化设计方法提供理论和技术支持。
　　(1)研究了几种在机械结构优化设计中常用的多目标优化方法，分析各种多目标优化方法的优势和特点。选取基于折衷规划法的多目标优化方法对拖缆机电机支架进行多目标拓扑优化设计。利用有限元技术对要进行优化设计的拖缆机零部件进行仿真分析。本文选择了拖缆机电机支架和拖缆机卷筒作为优化设计的零部件，分别对拖缆机电机支架和拖缆机卷筒进行静力学仿真分析和模态分析。对两个零件的各项性能做出评价，为后续的结构优化设计提供参考值。
　　(2)使用基于折衷规划法的多目标优化方法对电机支架进行多目标优化设计。其中将质量、固有频率和刚度作为目标函数。电机支架质量是主要优化目标，将固有频率作为优化目标是因为拖缆机电机或者马达的安装位置要考虑其动态特性。在优化过程中刚度目标函数和固有频率目标函数之间的相互关系和影响是不可测和无法确定的，针对这个问题，本文使用基于协调满意法的多目标优化方法对电机支架进行优化设计。针对拖缆机卷筒设计方法保守导致质量过大的问题，利用有限元技术和优化方法对卷筒壁厚进行优化设计。
　　(3)对优化后的拖缆机电机支架的刚度进行实验验证。分别采用仿真方法和实验方法对优化结果进行验证。利用相似理论设计缩小比例的电机支架优化前和优化后的模型。分别采用直接测量方法和应变片测量应变间接测量方法对优化后的电机支架进行优化结果的验证。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究的背景及意义

1．2大型拖缆机发展现状

1．3国内外结构拓扑优化发展现状

1．3．1结构拓扑优化发展与应用

1．3．2结构多目标优化发展与应用

1．4本文主要研究内容

2．1引言

2．2零件结构设计流程

2．3结构优化中多目标优化方法

2．4材料插值模型和数值求解算法

2．4．1均匀化方法与变密度法

2．4．2拓扑优化中数值算法

2．5本章小结

第3章大型拖缆机零部件动静特性分析

3．2电机支架动静特性分析

3．2．1电机支架前处理

3．2．2电机支架静力分析

3．2．3电机支架模态分析

3．3拖缆机卷筒动静特性分析

3．3．1拖缆机卷筒前处理

3．3．2拖缆机卷筒静力分析

3．3．3拖缆机卷筒模态分析

3．4本章小结

第4章电机支架与卷筒结构优化设计

4．1引言

4．2多目标优化设计的数学模型

4．3电机支架多目标拓扑优化设计

4．3．1电机支架功能需求分析

4．3．2电机支架数学模型的建立

4．3．3多目标拓扑优化结果

4．4基于满意协调法电机支架多目标优化

4．4．1建立多目标优化数学模型

4．4．2优化结果仿真验证

4．5卷筒结构优化设计

4．5．1建立卷筒有限元模型

4．5．2建立卷筒优化模型

4．5．3卷筒优化结果分析验证

4．6本章小结

第5章基于相似理论电机支架静刚度实验验证

5．1引言

5．2相似理论的理论基础

5．2．1相似三定理的概念

5．2．2相似准则的导出方法

5．3基于相似理论模型分析与设计

5．4电机支架的实验结果验证

5．5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