某新型无人帆船的结构设计及其主帆结构的轻量化设计

摘要

对为了满足海洋调查长航时、大范围和连续性的调查要求,研发了一款带有襟翼的刚性帆无人帆船,同时为了优化其帆形和结构,对主帆结构进行轻量化设计。将Fluent软件计算得到的气动载荷施加到主帆表面,结合ANSYS Workbench软件提出了形状-拓扑-尺寸联合分级优化的方法,通过形状优化,确定了主帆外形为锥形。通过拓扑优化,建立了薄蒙皮、“工”字形翼梁和桁架式肋板的主帆结构模型,对其初始模型进行有限元分析,结果表明初始主帆符合设计要求,并且其结构有很大优化空间。利用响应面分析法,确定主帆蒙皮厚度和翼梁宽度两个参数对主帆结构性能和质量影响较大。通过对主帆结构进行尺寸优化,最终确定蒙皮厚度为2.8mm,翼梁厚度为3mm,翼梁宽度为26.5mm,肋板厚度为2mm。优化后的主帆结构满足设计要求,质量减轻了38.68%。