基于大变异遗传算法的船舶加筋结构动力参数优化

摘要

在给定的设计空间内，通过采用分析技术使得结构满足工程实际要求，并提高结构的经济和实用性，是结构优化的宗旨。加筋结构是船舶与海洋工程结构的基本组成，其承受载荷复杂，结构形式多样化，为追求优良性能，对船舶结构的优化有着重要意义。为了满足实际工程结构的经济性、力学性能和使用性能等要求，船舶与海洋工程结构优化一般选择结构重量、结构屈服载荷、结构模态和减振性能等为优化约束条件。
　　首先，绍了结构有限元分析的基本理论，并采用商业软件ANSYS对模型的参数化进行了学习。在了解ANSYS自带优化模块的优势和局限性后，针对开孔薄板的开孔角度和开孔大小问题，以局部最大等效应力为目标函数，进行了连续变量的优化设计。
　　其次，对基本遗传算法和大变异遗传算法进行了讨论，通过遗传算法的基本实现技术，实践提出了遗传算法的大变异操作，并采用著名Rastrigrin函数和Rosenbrock函数进行数值实验，对大变异遗传算法的运行效率进行了验证。
　　再次，通过Digital Visual FORTRAN提供的第三方扩展模块DFLIB，将ANSYS结构有限元重分析与基于FORTRAN的优化算法进行程序对接，为实际工程结构优化提供了一种优化模式。并采用该模式，对船体骨架中的连续多跨梁结构和加筋板结构分别进行了静力优化、频率优化和组合优化。
　　最后，以FORTRAN编写的大变异遗传算法程序作为优化平台，将ANSYS有限元重分析得到的数据作为约束条件与优化平台交互，对船舶加筋基座进行了减振性能优化，对直升机甲板结构进行了强度和频率的组合优化。
　　通过对比优化结果发现:本文提出的优化模式能够良好的应用于船舶加筋结构的动力参数优化。这种将离散变量考虑在内的优化模式，可以应用于工程实际结构优化设计，扩展为结构振动隔振与被动隔振、结构强度及船舶晃荡响应等对船上加筋结构构成约束的优化问题。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 立题意义和选题背景

1．2 国内外结构优化研究现状

1．2．1 结构优化的研究层次

1．2．2 结构动力优化研究现状

1．3 国内外结构优化算法研究现状

1．3．1 数规法和准则法

1．3．2 智能优化算法

1．4 本文主要工作

2 ANSYS结构有限元分析及优化设计

2．1 结构有限元分析基本理论

2．1．1 弹性力学的基本方程

2．1．2 弹性力学有限元分析的执行步骤

2．2 ANSYS结构分析与建模

2．2．1 ANSYS结构分类及仿真单元

2．2．2 模型深度与单元选择

2．2．3 结构的参数化建模

2．3 ANSYS结构优化设计

2．3．1 优化模块的基本要素和求解模式

2．3．2 优化模块的优化方法和收敛准则

2．3．3 优化模块的运行流程

2．3．4 优化模块应用的局限性

2．3．5 ANSYS结构优化算例

2．4 本章小结

3 遗传算法

3．1 基本遗传算法

3．1．1 基本遗传算法的构成要素

3．1．2 基本遗传算法的实现

3．1．3 基本遗传算法的应用

3．2 遗传算法的基本实现技术

3．2．1 编码方法

3．2．2 适应度函数

3．2．3 选择算子

3．2．4 交叉算子

3．2．5 变异算子

3．2．6 约束条件的处理

3．2．7 终止条件的设定

3．3 大变异遗传算法

3．3．1 提出背景

3．3．2 大变异操作的实现

3．3．3 算法运行效率的证明

3．4 本章小结

4 基于FORTRAN与ANSYS交互的优化模式

4．1 交互优化模式的程序对接

4．2 连续多跨梁的静力和频率优化

4．2．1 连续多跨梁模型的参数化

4．2．2 连续多跨梁的静力优化

4．2．3 连续多跨梁的频率优化

4．2．4 连续多跨梁的静力和频率组合优化

4．3 船舶加筋板结构的优化

4．3．1 加筋板模型的参数化

4．3．2 加筋板结构的基频优化

4．3．3 加筋板结构的静力和基频组合优化

4．4 本章小结

5 船舶加筋结构优化

5．1 功率流计算

5．1．1 功率流定义

5．1．2 基于有限元的功率流计算

5．1．3 减振性能评价指标

5．2 船舶加筋基座减振性能优化

5．2．1 加筋基座模型的参数化

5．2．2 优化的数学模型

5．2．3 优化结果

5．3 直升机甲板结构组合优化

5．3．1 甲板模型的参数化

5．3．2 优化的数学模型

5．3．3 优化结果

5．4 本章小结

结论

1 本文工作总结

2 本文存在问题及展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢