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外置式耐压液舱实肋板拓扑和开孔尺寸优化

戴睿婕 刘勇 程远胜 刘均 张攀

戴睿婕, 刘勇, 程远胜, 刘均, 张攀. 外置式耐压液舱实肋板拓扑和开孔尺寸优化[J]. 中国舰船研究, 2019, 14(6): 139-146. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01460
引用本文: 戴睿婕, 刘勇, 程远胜, 刘均, 张攀. 外置式耐压液舱实肋板拓扑和开孔尺寸优化[J]. 中国舰船研究, 2019, 14(6): 139-146. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01460
Dai Ruijie, Liu Yong, Cheng Yuansheng, Liu Jun, Zhang Pan. Topology and opening size optimization design of solid floors in an outer tank of the pressure hull[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2019, 14(6): 139-146. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01460
Citation: Dai Ruijie, Liu Yong, Cheng Yuansheng, Liu Jun, Zhang Pan. Topology and opening size optimization design of solid floors in an outer tank of the pressure hull[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2019, 14(6): 139-146. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01460

外置式耐压液舱实肋板拓扑和开孔尺寸优化

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01460
详细信息
    作者简介:

    戴睿婕, 女, 1994年生, 硕士生

    刘勇, 男, 1974年生, 硕士, 高级工程师, 硕士生导师

    程远胜, 男, 1962年生, 博士, 教授, 博士生导师

    通信作者:

    程远胜

  • 中图分类号: U661.43

Topology and opening size optimization design of solid floors in an outer tank of the pressure hull

知识共享许可协议
外置式耐压液舱实肋板拓扑和开孔尺寸优化戴睿婕,等创作,采用知识共享署名4.0国际许可协议进行许可。
  • 摘要:   目的  为了简化建造工艺和减轻液舱结构重量,对外置式耐压液舱实肋板结构进行拓扑优化和开孔尺寸优化设计。  方法  首先,利用Hyperworks/Optistruct对外置式耐压液舱整体模型进行结构应力分析。然后,在拓扑优化中,除与液舱壳板和耐压船体壳板相连的约100 mm长条状范围外,以实肋板其他范围内的单元密度为设计变量;以与实肋板相连的液舱壳板和船体壳板上结构的典型应力及实肋板体积分数为约束,以实肋板上最大Mises应力最小化为目标,针对满载和空舱两种工况,利用商用软件Hyperworks/Optistruct对实肋板结构进行拓扑优化。最后,基于Matlab和ANSYS联合优化,以实肋板上von Mises应力和剪应力为约束,以相应结构重量极小化为目标,对实肋板开孔进行尺寸优化,从而得到精细化开孔方案。  结果  拓扑优化结果表明,外置式耐压液舱实肋板开减轻孔应集中在中、下部。开孔尺寸优化结果表明,相比初始方案,实肋板剪应力增加38%,其他关注区域应力相当时,内部实肋板上结构重量可降低19%。  结论  两类优化设计均表明,外置式耐压液舱实肋板开减轻孔应集中在中下部,且从下到上开孔面积应逐渐减小。
  • 图  1  外置式耐压液舱整体结构示意图

    Figure  1.  The whole structure diagram of outer tank of the pressure hull

    图  2  外置式耐压液舱实肋板结构示意图

    Figure  2.  The structure diagram of solid floors in an outer tank of the pressure hull

    图  3  满载工况实肋板应力云图

    Figure  3.  Von Misses stress and shear stress contours of the solid floors under full loadings

    图  4  空舱工况实肋板应力云图

    Figure  4.  Von Mises stress and shear stress contours of the solid floors under empty loadings

    图  5  实肋板开孔拓扑优化设计变量空间示意图

    Figure  5.  Design space diagram of the topology optimization

    图  6  实肋板设计空间单元密度示意图

    Figure  6.  Element density contours of design space

    图  7  实肋板开孔形式工程化方案示意图

    Figure  7.  Engineering schemes of opening form on the solid floors

    图  8  空载工况下实肋板剪应力云图

    Figure  8.  Shear stress contours of solid floors under empty loadings

    图  9  设计变量示意图

    Figure  9.  Diagram of design variables

    表  1  关注区域应力计算结果

    Table  1.   The stress results of interested areas

    载荷类型 实肋板上最大Mises应力/MPa 实肋板上最大剪应力/MPa 液舱壳板最大Mises应力/MPa 耐压船体壳板最大Mises应力/MPa
    满载工况 398 89 354 543
    空舱工况 524 125 527 798
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    表  2  外置式耐压液舱实肋板拓扑优化数学模型

    Table  2.   Mathematical model of the topology optimization

    设计变量 约束条件 目标函数
    实肋板设计空间内单元密度 液舱壳板关注区域Mises应力不大于390 MPa
    (满载工况)、590 MPa(空舱工况)
    实肋板最大Mises应力最小化
    船体壳板关注区域Mises应力不大于543 MPa
    (满载工况)、800 MPa(空舱工况)
    设计区域体积分数不大于60%
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    表  3  空载工况下不同实肋板开孔方案结果对比(ANSYS)

    Table  3.   Comparison of results among different opening forms under empty loadings

    参数 初始方案
    特征量
    方案1 方案2 方案3 方案4
    特征量 变化/% 特征量 变化/% 特征量 变化/% 特征量 变化/%
    M/t 132.12 131.26 -1 130.32 -1 130.78 -1 130.66 -1
    M/t 8.2 7.34 -10 6.4 -22 6.86 -16 6.74 -18
    σ液内纵/MPa -353 -342 -3 -345 -2 -343 -3 -344 -3
    σ液内周/MPa -456 -468 3 -483 6 -456 0 -457 0
    σ液纵骨/MPa 388 412 6 431 11 410 6 410 6
    σ液纵骨剪/MPa 35 35 0 32 -9 35 0 35 0
    σ船外纵/MPa -1 051 -1 063 1 -1 075 2 -1 063 1 -1 062 1
    σ船内纵/MPa -824 -831 1 -829 1 -830 1 -827 0
    σ肋骨/MPa -495 -501 1 -508 3 -496 0 -494 0
    σ实总/MPa 517 529 2 810 57 519 0 525 2
    σ实周/MPa -555 -573 3 -794 43 -565 2 -568 2
    τ实剪/MPa 112 242 116 342 205 176 57 167 49
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    表  4  设计变量取值空间

    Table  4.   The value space of design variables

    设计变量 设计变量描述 取值空间/mm
    x1 下部长圆孔半径 {50,100,150,200}
    x2 下部长圆孔孔长 {150,200,250,300,350}
    x3 中下部长圆孔半径 {50,100,150,200}
    x4 中下部长圆孔孔长 {100,150,200,250,300}
    x5 中上部圆孔半径 {0,10,20,30,40}
    x6 上部圆孔半径 {0,10,20,30,40}
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    表  5  初始方案与优化方案关注区域应力结果

    Table  5.   Stress results of interested areas of initial and optimization schemes

    参数 初始方案
    特征量
    优化方案
    特征量 变化/%
    M/t 132.12 130.47 -1
    M/t 8.2 6.66 -19
    σ液内纵/MPa -353 -344 -3
    σ液内周/MPa -456 -463 2
    σ液纵骨/MPa 388 420 8
    σ液纵骨剪/MPa 35 35 0
    σ船外纵/MPa -1 051 -1 063 1
    σ船内纵/MPa -824 -827 0
    σ肋骨/MPa -495 -494 0
    σ实总/MPa 517 520 1
    σ实周/MPa -555 -568 2
    τ实剪/MPa 112 155 38
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-10-16
  • 网络出版日期:  2019-12-04
  • 刊出日期:  2019-12-01

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