气控卧倒式坞门轻量化设计研究

摘要

近半个世纪以来，随着全球海洋事业的发展，船舶工业取得了长足的发展。船舶建造逐渐向大型化、专业化发展。船坞作为船舶修造的最重要的场所之一，更是大型船舶总装建造必不可少的设施。船坞坞门作为船坞建造的关键部分，坞门的性能直接的影响着船坞的整体性能。本文选取某气控卧倒式坞门进行优化设计研究，在保证坞门结构力学性能满足设计规范的前提下，运用结构优化设计方法对坞门进行轻量化设计。本文主要研究内容如下： （1）详细描述气控卧倒式坞门结构设计原理，并阐述气控卧倒式坞门结构性能评价指标。介绍常用的结构轻量设计方法：结构优化、工艺优化、及应用新材料，并着重介绍了基于拓扑优化、尺寸优化、形状优化的结构优化方法及其研究现状。 （2）坞门结构静力分析：运用CATIA建立坞门结构几何模型，并使用Hypermesh建立坞门结构有限元分析模型，分别对坞门极限水位闭合工况以及坞门卧倒工况进行结构静力学分析。计算结果为下一阶段坞门结构优化提供对比和参考。 （3）坞门结构布局优化：详细阐述拓扑优化理论中的均匀化方法、变密度法和对均匀化方法与变密度法改进的SIMP法。介绍基于SIMP法的结构拓扑优化软件OptiStruct，并介绍其优化流程。基于气控卧倒式坞门的工作原理，确定将强框与纵骨所在区域作为设计优化区域建立优化模型，以结构最小化重量为优化目标，结构变形、材料许用应力为约束，进行拓扑优化。根据拓扑优化结果对坞门结构布局进行调整。 （4）尺寸优化及拓扑优化：以优化后坞门结构为基础，将坞门结构内板和外板、强框、纵骨厚度作为优化变量，以结构最小化重量为目标函数，进行尺寸优化。在此基础上，选择坞门强框进行拓扑优化，进一步进行坞门轻量化设计。 （5）结构校核以及性能对比：对优化后坞门结构，分别进行闭合工况、卧倒工况静力学分析。基于设计规范对坞门结构强度、刚度、结构稳定性进行校核。从位移、应力、重量三个方面与原坞门结构进行性能对比。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及目的意义

1.2 坞门简介及研究发展现状

1.3 气控卧倒式坞门简介

1.3.1 气控卧倒式坞门设计原理

1.3.2 气控卧倒式坞门性能评价指标

1.4 结构轻量化技术研究现状

1.5 本文研究内容及章节安排

2 气控卧倒式坞门多工况静力分析

2.1 坞门静力分析理论基础

(1) 强度理论

(2) 刚度理论

2.2 气控卧倒门有限元建模

2.2.1 模型简化及几何模型建立

2.2.2 模型网格划分及质量检查

2.2.3 坞门材料属性定义

2.3 坞门多工况有限元分析

2.3.1 坞门多工况约束与载荷

2.3.2 坞门多工况计算结果分析

2.4 本章小结

3 基于拓扑优化的坞门结构优化设计

3.1 拓扑优化基本原理

3.1.1 均匀化方法

3.1.2 变密度法

3.1.3 SIMP法

3.1.4 OptiStruct优化流程

3.2 坞门结构总体拓扑优化

3.2.1 坞门优化模型建立

3.2.2 优化结果分析

3.3 优化后坞门性能校核

3.4 本章小结

4 坞门局部结构优化设计

4.1 局部尺寸优化

4.1.1 尺寸优化理论

4.1.2 优化模型建立

4.1.3 优化结果分析

4.2 局部拓扑优化

4.2.1 优化模型建立

4.2.3 优化结果分析

4.3 本章小结

5. 优化后的坞门性能评价

5.1 优化后坞门性能校核

（1）力学性能校核

（2）结构稳定性校核

5.2 综合性能对比

5.2 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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