基于参数化建模的散货船有限元分析及优化

论文摘要

散货船共同结构规范是IACS成立以来第一次在全球范围内制定单一类型船舶的建造标准。新的共同规范是为了满足工业界和航运界对坚固耐用船舶的要求而开发的,与传统的规范相比,新增加了腐蚀裕量的概念,其安全性明显增加。但船舶是复杂的水面建筑物,其重量大部分是建造钢材的重量,新规范关于腐蚀裕量的内容则大大增加了钢材的使用量,使船舶结构重量加重,增加了船舶的建造成本。因此,本文在满足使用要求、建造要求和规范要求的前提下,关于船舶结构优化设计做了研究,使船体结构重量减少,提高材料的利用率,节约了建造成本的同时使船舶承载能力加大。本文阐述了散货船共同规范产生的背景、影响、意义和船舶结构优化设计的发展状况和趋势,对散货船共同结构规范关于散货船直接强度计算的基本内容作了概述。选取一条57000DWT级散货船运用MSC.Patran&Nastran进行参数化有限元建模并进行船体结构有限元直接计算,运用中国船级社最新开发的CSR-DSA对其载荷进行自动加载和评估,评估内容包括屈服计算、屈曲分析和详细应力评估。之后运用多学科综合优化设计软件iSIGHT集成MSC.Patran&Nastran,编写仿真代码,选取板材、扁钢、T型材腹板和面板的厚度作为优化变量,有限元直接强度计算中屈服计算下各装载载荷工况应满足的最大许用应力作为约束条件,船体结构重量作为目标函数,选取多岛遗传算法对船体结构尺寸进行优化设计,使船体结构重量最轻。本文从数值计算的角度对船体结构尺寸进行了优化设计,得到了满意的结果,给船舶的研发和设计人员提供了一种新的方法和思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.3 课题国内外研究的现状
• 1.3.1 船舶强度分析的发展
• 1.3.2 船舶结构优化的发展
• 1.4 本文主要完成的工作及内容
• 第2章 船舶结构强度屈服计算
• 2.1 概述
• 2.2 船舶结构强度屈服计算规范要求
• 2.2.1 腐蚀裕量
• 2.2.2 船舶运动和加速度
• 2.2.3 船体梁载荷
• 2.2.4 载荷工况
• 2.2.5 外部压力
• 2.2.6 内部压力
• 2.2.7 边界条件
• 2.2.8 分析衡准
• 2.3 实船结构强度屈服计算
• 2.3.1 实船主尺度
• 2.3.2 结构型式
• 2.3.3 材料参数
• 2.3.4 有限元模型
• 2.3.5 边界条件
• 2.3.6 计算工况
• 2.3.7 局部载荷施加
• 2.3.8 许用应力
• 2.3.9 屈服计算结果
• 2.4 本章小结
• 第3章 船舶结构强度屈曲分析
• 3.1 概述
• 3.2 屈曲分析的基本理论
• 3.2.1 矩形板稳定性的能量法
• 3.2.2 板的后屈曲性能
• 3.3 船舶结构强度屈曲分析规范要求
• 3.3.1 符号定义
• 3.3.2 边界条件
• 3.3.3 板格应力
• 3.3.4 板格的屈曲和折减系数
• 3.3.5 屈曲衡准
• 3.4 实船结构强度屈曲分析
• 3.4.1 板格的创建
• 3.4.2 边界条件
• 3.4.3 计算工况
• 3.4.4 安全因子
• 3.4.5 屈曲分析结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 船舶结构强度详细应力评估
• 4.1 概述
• 4.2 详细应力评估
• 4.2.1 详细应力评估的区域
• 4.2.2 细化方法
• 4.2.3 模型的单元类型和网格
• 4.2.4 边界条件
• 4.2.5 装载工况
• 4.2.6 许用应力
• 4.2.7 详细应力评估模型和结果
• 4.3 本章小结
• 第5章 船舶结构优化设计
• 5.1 概述
• 5.2 优化设计的基本理论
• 5.2.1 优化的基本要素
• 5.2.2 优化的方法
• 5.3 iSIGHT软件简介
• 5.4 结构优化设计
• 5.4.1 PCL简介
• 5.4.2 结构优化设计集成过程
• 5.4.3 结构优化设计参数的设定
• 5.4.4 结构优化设计结果分析
• 5.4.5 结构优化设计后屈曲分析和典型横剖面图
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢