无人艇的有限元参数化建模与变截面优化方法研究

摘要

无人艇作为新一代的水面战斗舰艇，具有高速、隐身和智能等优点，目前许多国家已经应用于军事领域。无人艇一般选用滑行艇艇型，根据滑行艇的工作原理，可知艇体的重量对滑行艇的性能有很大的影响。本文是在满足艇体强度和总布置要求的前提下，寻求一种新的减轻艇重的优化方法。
　　 本文从艇体结构的选材出发，对组成玻璃钢的增强材料和基体材料进行了基本介绍，重点分析评估了玻璃钢的力学性能，推导了主要力学性能指标的近似计算公式，并且选取了强度校核标准。
　　 应用ANSYS的参数化语言APDL建立整艇的有限元模型，对中垂和中拱两种典型工况进行了分析求解，校核艇体的强度。集成ANSYS与iSIGWT优化软件，选取预期的目标函数、变量参数和约束条件，采用多岛遗传算法对艇体结构进行优化分析，求解出最优解。
　　 结合优化后的模型和玻璃钢易成型的特点，引入建筑和桥梁工程中变截面梁的设计理念，为了验证方法的可行性，在理论推导的基础上应用有限元法对一根简支梁进行了验证，为更进一步的优化艇体骨材的截面形状提供了理论基础和数值分析的依据，同时以应力分布情况为依据对骨材的力学性能进行优化，即改变玻璃纤维的含量和分布，最终达到艇体重量最轻和材料利用最充分的目的。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景

1.2 课题研究的现状

1.2.1 玻璃钢船的发展现状

1.2.2 参数化有限元法的研究现状

1.2.3 船舶结构优化的研究现状

1.3 课题研究的目的和意义

1.4 课题研究的主要内容

第2章 艇用玻璃钢的设计

2.1 玻璃钢的概念

2.2 玻璃钢船的特点

2.3 艇用玻璃钢的选择

2.3.1 增强材料

2.3.2 增强形式

2.3.3 基体材料

2.4 玻璃钢的性能

2.4.1 玻璃钢的密度

2.4.2 力学性能的估算

2.4.3 强度准则

2.4.4 安全系数

2.5 本章小结

第3章 艇体有限元参数化建模

3.1 有限元法的介绍

3.2 ANSYS的参数化语言APDL

3.3 艇体主尺度和材料属性

3.4 参数的选择与定义

3.5 几何模型的生成

3.6 属性定义和网格划分

3.6.1 属性定义

3.6.2 网格划分

3.7 载荷和边界条件

3.7.1 载荷的计算

3.7.2 边界条件

3.8 后处理

3.9 本章小结

第4章 艇体优化分析

4.1 ISIGHT 软件介绍

4.1.1 iSIGHT软件特点

4.1.2 iSIGHT的优化算法

4.2 遗传算法及多岛遗传算法

4.2.1 遗传算法的机理

4.2.2 遗传算法的运行参数

4.2.3 多岛遗传算法

4.3 优化体系的建立

4.3.1 过程集成

4.3.2 目标函数

4.3.3 设计变量

4.3.4 约束条件

4.3.5 优化算法设置

4.4 优化结果

4.5 本章小结

第5章 骨材变截面优化

5.1 变截面梁的介绍

5.2 变截面梁的优化方法

5.2.1 理论基础

5.2.2 方法的验证

5.3 骨材的变截面优化

5.4 玻璃钢力学性能优化

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