典型船舶空间节点结构优化设计研究

摘要

船舶结构的安全性在船舶设计中占据了重要地位，是设计者、建造者以及营运人员最为关注的问题。肘板结构是船舶节点的主要结构形式，这种结构型式是造成应力集中的主要原因，有研究表明船舶破坏主要发生在船舶肘板节点上，减少船舶节点结构破坏的主要方法是降低肘板节点处的拉应力。因此本文在应用子模型技术对肘板节点结构进行细致应力分析的基础上，对肘板节点结构进行优化研究，以降低肘板区域的应力集中。
　　本文首先利用有限元分析软件Ansys对船舶舱段结构进行强度分析，根据该强度分析结果，选择了靠近船艏方向的舱壁与第二平台桁材连接处的节点结构进行更详尽的应力分析和优化研究。建立该肘板节点结构的有限元子模型，利用子模型技术对该肘板节点结构进行应力分析，通过路径插值分析证明了本文所应用的子模型技术可以用来考察该肘板节点结构的强度性能。为考量肘板在该节点结构中的作用，应用子模型技术对该节点结构中存在肘板和不存在肘板的情况进行应力分析，两种情况的应力结果对比表明，肘板的存在改善了舱壁桁材和平台桁材连接处的应力集中，增强了桁材的抗弯特性，但是肘板的存在导致了肘板与桁材面板连接处的应力集中。
　　为改善肘板节点结构的应力集中，本文采用Optistruct软件对肘板节点结构分别进行了形状优化和拓扑优化研究。形状优化数学模型的设计变量为肘板腹板臂长的改变量，通过Hypermorph创建该形状变量，目标函数为肘板区域的最大mises应力最小化，约束函数为与肘板连接的桁材面板交汇处的mises应力和与肘板连接的桁材腹板交汇处的mises应力。肘板节点结构的形状优化得到了肘板腹板的最佳臂长，使得肘板区域应力集中得到改善。对肘板节点结构的拓扑优化分为两级进行，第一级拓扑优化数学模型的设计变量为肘板结构的单元密度，目标函数为与肘板连接的桁材面板交汇处的最大mises应力最小，约束函数为与肘板连接的桁材腹板交汇处的mises应力；第二级拓扑优化数学模型的设计变量为第一级拓扑优化工程化处理后的新型肘板结构的面板单元密度，目标函数是肘板腹板的最大mises应力最小化，约束函数是与肘板相连接的桁材面板交汇处的mises应力和与肘板相连接的桁材腹板交汇处的mises应力。肘板节点结构的分级拓扑优化得到了肘板材料的最佳分布，极大地降低了肘板区域的应力集中。
　　本文提出的肘板节点结构分析与优化设计的思路和方法，可为类似结构分析与优化设计提供参考。

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第1章 绪论

1.1 论文背景、目的和意义

1.2 国内外研究现状分析

1.3 论文的主要内容

1.4 本章小结

第2章 船舶肘板节点结构强度特性分析

2.1 有限元技术、Ansys软件及其子模型方法

2.2 船舶舱段结构整体模型有限元的建立

2.3 肘板节点结构子模型有限元的建立

2.4 肘板节点结构强度特性分析

2.5 肘板节点结构子模型计算结果验证

2.6 子模型有无肘板的结果对比

2.7 本章小结

第3章 肘板节点结构形状优化研究

3.1 形状优化基本含义及其专用优化软件

3.2 肘板节点结构形状优化数学模型

3.3 肘板节点结构形状优化结果

3.4 肘板节点结构形状优化工程化处理

3.5 本章小结

第4章 肘板节点结构拓扑优化研究

4.1 拓扑优化基本含义及本文的优化策略

4.2 肘板节点结构第一级拓扑优化

4.3 肘板节点结构第二级拓扑优化

4.4 本章小结

第5章 总结和展望

5.1 总结

5.2 本文创新点

5.2 展望

致谢

参考文献