船侧结构碰撞下动力响应研究及优化设计

摘要

撞击载荷是一种极端危险载荷，抗撞击能力的提高对船舶安全性的提高有很大意义，在极地航道愈被重视以来，船舶的防撞、防冰性能也愈加重要。本文结合实验与数值方法，对简化结构在刚性块撞击载荷和冰块撞击载荷下的动力响应进行了研究，得到了结构的防撞设计建议；探索了船侧结构的结构优化设计，对简化结构的优化设计、依据变形反解载荷问题、实际船侧局部防撞优化问题进行了研究，提供了较好的技术案例。具体研究内容包括： 1）基于撞击体为刚性的假设，将船首撞击船侧结构的工况简化为球形和楔形冲头撞击加筋板和光板。以数值计算为主，以实验验证为辅，对加筋板结构和光板结构在两种冲头撞击下的结构响应和能量吸收进行了分析和对比，得知：易遭受球形冲头撞击的位置需要增设加强筋，而易遭受楔形冲头撞击的位置则需要增加板的设计厚度。 2）基于验证后的冰材料仿真计算模型，开展了不同尖端宽度的浮冰模型撞击固支板结构的数值计算，分析了结构响应，并与对应形状的刚性撞击块的结果进行了对比，提出了局部位移的冰块影响因数IIFD和撞击能量折减因数DERR，分别用于表征位移和能量变化，并得知：冰块撞击过程中，被撞结构越弱的部位越容易遭受严重的破坏，冰区船舶的防撞设计要考虑结构物整体的防撞均衡性，尽量减少脆弱局部的出现。 3）依然针对加筋板结构遭受球形撞击这一工况，开展了结构的优化设计分析，对加筋板外板厚度、加强筋的面板和腹板厚度进行了较高质量的优化。并创新性的提出了根据结构已有塑性变形反求撞击载荷的反问题解法：将撞击载荷的参数设置为自变量，基于kriging代理模型，根据已有的结构塑性变形，精确的求出了撞击载荷的质量与速度大小。 4）针对实际船舶的局部结构遭受类球鼻艏结构撞击的工况，基于自行编写的人工神经网络和遗传优化算法，对有10个设计变量的船侧局部结构进行了抗冲击的优化设计。面对设计变量的巨大设计空间以及冲击问题单次求解的高耗时问题，创新性的使用了参数预计算结合试验设计的手段，较大的提高了设计效率，得到了比较满意的结果。

目录

声明

第1章 引言

1.1 选题背景与意义

1.2 船舶碰撞与船冰碰撞的研究

1.2.1 理论方法

1.2.2 数值实验

1.2.3 实验方法

1.2.4 事故调查

1.2.5 冰区船舶的有关规范

1.3 船舶结构优化设计研究

1.3.1 国内外研究现状

1.3.2 代理模型

1.4 本文研究思路

1.5 内容概要

第2章 刚性体碰撞载荷下的结构响应

2.1 船舶碰撞基本假设

2.1.1 碰撞设计模式

2.1.2 简化模型假设

2.1.3 塑性力学假设

2.2 球形楔形冲头对比-数值计算

2.3 球形楔形冲头对比-碰撞实验

2.4 结果分析

2.5 本章小结

第3章 冰体碰撞载荷下的结构响应

3.1 船冰碰撞基本假设

3.1.1 冰区简化碰撞工况

3.1.2 中和设计假设

3.2 冰体的破坏强度和失效准则

3.2.1 冰体的屈服面

3.2.2ISO/CD 19906 (2010)推荐的压力曲线

3.3 验证性仿真计算

3.4 计算模型描述

3.5 冰体、刚体撞击结果对比

3.6 本章小结

第4章 加筋板的冲击优化设计与反问题求解

4.1 结构优化方法与代理模型

4.2 直接优化计算

4.2.1 优化过程

4.2.2 析因试验设计

4.3 优化结果分析

4.3.1 直接优化结果

4.3.2 析因试验设计结果

4.4 反问题求解

4.4.1 问题描述

4.4.2 求解思路

4.4.3 目标函数

4.4.4 试验设计

4.4.5 Kriging代理模型

4.5 反问题结果分析

4.5.1 求解效率

4.5.2 准确性

4.6 本章小结

第5章 实际船侧局部结构的冲击优化求解

5.1 LNG船侧结构局部模型

5.2 有限元模型

5.3 样本数据

5.3.1 试验设计与代码实现

5.3.2 样本处理

5.4 代理模型实现-神经网络

5.4.1 模型概述

5.4.2 训练过程

5.5 求解算法实现-遗传算法

5.5.1 算法概述

5.5.2 基本设定

5.5.3 算法检验

5.6 结果分析

5.7 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 本文结论及创新点

6.2 后续工作与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

附录A 数据

附录B 程序