船舶結構動力最佳化設計研究

《船舶結構動力最佳化設計研究》是依託上海交通大學，由夏利娟擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：船舶結構動力最佳化設計研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：夏利娟
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

結構動力最佳化設計是工程結構設計領域中有待研究的難度大且內容新穎的前沿性課題之一。船舶結構不可避免地受到空間環境的各種激勵干擾作用，其動載荷相當複雜和多樣化，產生的方式從螺旋槳、推進系統的激勵到主機、輔機的激勵等，動力損傷和破壞是其主要的失效形式。對於大型複雜的船舶結構系統，苛刻的質量輕量化要求、複雜的動力環境條件以及眾多的高性能指標要求，使得開展其動力最佳化設計方面的研究與套用變得日益迫切。針對結構動力最佳化設計的研究現狀以及目前對船舶結構在複雜動力約束條件下進行最佳化設計的迫切要求，對大型複雜船舶結構動態特性的最佳化建模、求解策略等進行全面、系統的研究和實現，內容涉及到結構動力靈敏度分析、船舶結構的剛度分配設計和分級最佳化、多工況與多目標最佳化設計、結構動力特性的最佳化設計、結構動力回響的最佳化設計等方面。本項目的研究對大型複雜的船舶結構動力最佳化設計的研究和發展具有重要的理論意義和潛在的套用價值。

結題摘要

結構動力最佳化設計是工程結構設計研究領域比較前沿性的課題，它的主要任務是通過最佳化以改善結構的動態特性，達到控制振動的目的或者確保結構在各種動力環境下的工作安全可靠。本項目針對大型複雜船舶結構動態特性的最佳化建模、求解策略等進行了全面、系統的研究和實現，在結構動力靈敏度分析、船舶結構的剛度分配設計和分級最佳化、多工況與多目標最佳化設計、結構動力特性的最佳化設計、結構動力回響的最佳化設計等方面均取得了較好的研究成果。結構靈敏度分析方法與最佳化算法將直接影響結構最佳化設計的實現效率。本文對有限差分法、半解析法、解析法和DOE方法等多種結構靈敏度分析方法進行了分析和比較。指出可以採用約束靈敏度和質量靈敏度的比值作為改進設計的依據，選用DOE參數試驗方法進行大型工程結構的設計靈敏度分析比較合適。由於船舶結構的設計變數維數高，單元類型多，性態函式複雜，如果集中進行最佳化設計，其計算量和耗機時量都是相當巨大的。本項目提出了一種基於剛度分配的分級最佳化方法，在質量—彈簧簡化模型剛度分配最佳化的基礎上，採用疊加式有限元模型進行分級最佳化，成功地實現了大型複雜的船舶結構動力特性的多工況最佳化設計。研究表明，由於每一級最佳化中只考慮某一個艙段的設計變數，使得大型工程結構的最佳化模型得以簡化，同時能夠保證整船結構滿足各項總體性能指標。多目標最佳化模式能夠對多種重要指標進行兼顧，更符合工程結構的最佳化需求。本項目在傳統理想點法的基礎上，根據給定的加權係數對各目標函式的最佳化程度進行了適當的協調處理，並將約束法的基本思想引入到評價函式法中，通過比較分析驗證了改進措施的合理性和優越性。建立了船舶結構的多目標最佳化模式，分別採用評價函式法和完全分層法，以結構質量和基頻作為目標函式，以各設計參數的變化範圍、應力、位移和屈曲等為約束條件，實現了對船舶結構的多目標最佳化設計。船舶結構是在空間環境的各種激勵載荷下工作，其全局最佳化設計不僅需要考慮結構動力特性的最佳化，還應該通過結構動力回響的最佳化設計來有效地控制在激勵作用下船上關鍵部位的動回響幅值。結構動力回響最佳化是結構動力最佳化中難度較大內容較新的分支，同時涉及到結構動力特性和回響分析、結構動力回響靈敏度分析以及最佳化設計。本文從頻率回響分析方法出發，對動力回響靈敏度係數的求解進行了推導，提出了動力回響最佳化模型，實現了整船結構動態特性的全局最佳化設計。