基于动力学优化的大跨度板架区域支柱拓扑布局研究_马天帅.pdf
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1、76基于动力学优化的大跨度板架区域支柱拓扑布局研究马天帅1 陈 涛2*杨德庆3 邱伟强2 高 处2(1.海装装备项目管理中心 北京 1 0 0 0 7 1;2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 2 0 0 0 1 1;3.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 海洋工程国家重点实验室 高新船舶与深海开发装备协同创新中心 上海 2 0 0 2 4 0)摘 要:大跨距结构是舰船的典型结构特征之一。大跨距结构的低刚度特征导致结构位移及振动幅值较大,使减振设计难度较大。该文分析了某舰船在艏侧推激励下大跨度板架区域结构振动。针对大跨度板架下支柱的布局,建立拓扑优化基结构,采用变密度法(SIMP 法)建立
2、以结构质量最轻为目标函数,考虑指定位置处振动速度约束的看台支柱布局拓扑优化模型,进行动力学拓扑优化设计。研究表明:采用文中给出的大跨距支柱拓扑布局优化方法可得到 1 套振动控制性能良好的支柱布置方案,该方法可以减少繁复的设计及动力学计算工作量,得到更好的减振效果。关键词:大跨距结构;振动;拓扑优化;艏侧推激励中图分类号:U674.11 文献标志码:A DOI:10.19423/ki.31-1561/u.2023.03.076Topological Layout Research of Pillars Under Long-Span Grillage Structure Based on Dyn
3、amic OptimizationMA Tianshuai1 CHEN Tao2*YANG Deqing3 QIU Weiqiang2 GAO Chu2(1.Marine Equipment Project Management Center,Beijing 100071,China;2.Marine Design&Research Institute of China,Shanghai 200011,China;3.Collaborative Innovation Center for Advanced Ship&Deep-Sea Exploration,School of Naval Ar
4、chitecture,Ocean&Civil Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)Abstract:Long-span structure is one of the typical structure features of ships.Low rigidity of the long-span structure causes large structure displacement and vibration amplitude,imposing difficulties in the vibra
5、tion reduction design.The vibration of the long-span grillage structure is analyzed for a ship under bow thruster excitation in the current study.Topology optimization base structure is then established for the arrangement of the pillar under the long-span grillage structure.With the objective funct
6、ion of lightest structure weight based on SIMP method,the dynamic topology optimization design is carried out by using the stand pillar arrangement topology optimization model considering the vibration velocities of specified nodes as the constrain.The results show that a pillar arrangement plan wit
7、h good vibration control performance is obtained by using the long-span pillar topology optimization method in the current study.This method can reduce the complexity of the design and the workload of the dynamic calculation,with a better vibration damping effect.Keywords:long-span structure;vibrati
8、on;topology optimization;bow thruster excitation收稿日期:2022-12-08;修回日期:2023-01-17基金项目:国家自然科学基金项目(51479115)作者简介:马天帅(1980-),男,本科,工程师。研究方向:舰船设计与研究。通讯作者:陈 涛(1985-),男,本科,高级工程师。研究方向:船舶结构设计与研究。杨德庆(1968-),男,博士后,教授/博士生导师。研究方向:船舶结构减振降噪与优化设计。邱伟强(1975-),男,硕士,研究员。研究方向:船舶结构设计与研究。高 处(1984-),男,硕士,高级工程师。研究方向:船舶结构设计与研究
9、。77马天帅,等:基于动力学优化的大跨度板架区域支柱拓扑布局研究2023年第3期总第204 期总 体 与 结 构0 引 言大跨距甲板板架是舰船的典型结构特征之一,指仅设置少量支撑支柱甚至无支柱的大型板架结构,通常甲板强梁及纵桁跨距在 5 m 以上,最大可达 8 10 m,常用于登陆舰、大型客船的通舱、坞舱、高级餐厅和大礼堂处所等区域。前卫号战列舰为搭载国王和其他皇室成员,在 1946 年进行了大规模改装,特意打通了 2 层甲板,修建了 1 个总高度将近 6 m 的大礼堂。针对此类结构,已有一些性能分析研究及优化设计相关的探讨1。在这些大跨度板架区域,其顶部甲板通常由高腹板梁组成的交叉梁系支撑,
10、中心区域尽可能少设置支柱以避免影响视线和装备行动路线;同时,为减小该区域的振动响应,需要对这些区域内的结构进行动力学性能优化。因此,支柱布置对于大跨度甲板板架动力学性能的影响是需要深入研究的问题。本文对某舰船大礼堂区域的大跨距结构进行动力学分析,建立了甲板支柱布局的拓扑优化模型,探索有关建模和优化方法,填补了国内大跨距甲板板架结构动力学优化研究的空白;同时,本文给出的与会人员入场后实际甲板板架载荷分布情况、拓扑优化参数设定与艏侧推激励估算对优化结果的影响,则需要进一步研究和实船验证。有关舰船动力学性能标准的参考文献较少,可以借鉴各国船级社的振动噪声及舒适性相关标准2-4。1 大跨距甲板板架结构
11、支柱布局拓扑 优化的简化模型目前有关大跨距甲板板架结构的支柱布局拓扑优化的研究不多。因此,本文先采用上甲板-层间支柱-下甲板的简化模型讨论拓扑优化方法应用于支柱布局的可行性。1.1 上甲板-层间支柱-下甲板的有限元模型如图 1 所示,上甲板-层间支柱-下甲板模型由上下 2 层甲板和层间支柱组成。上下甲板的表面均匀分布有甲板骨材,每隔 4 档骨材间距设置强横梁和纵桁,强横梁和纵桁交点处设置支柱。上下层甲板边界处的 4 个角点上施加 X、Y、Z 方向的位移约束。模型单元大小为骨材间距,甲板板架采用壳单元模拟,支柱、骨材、强横梁及纵桁采用梁单元模拟。图 1 大跨距甲板板架结构简化模型(上甲板-层间支
12、柱-下甲板模型)待评估区域位于上层甲板中心区,该区域大小为 2 个强横梁间距和 2 个纵桁间距,强横梁和纵桁间距均为 2.8 m。在甲板骨材与强横梁交点处,图 1中红圈位置为支柱布局的设计域,即层间支柱可能的布设点。对下层甲板 A 节点施加窄带加速度激励,考察上层甲板远离激励位置的 B 点和 C 点的78振动响应情况,激励谱详见表 1。表 1 上甲板-层间支柱-下甲板模型加速度激励频率/Hz加速度激励/(mms-2)0102910301 000 501 000 1.2 上甲板-层间支柱-下甲板模型支柱布局 拓扑优化方案分析首先,对设计域支柱全保留和全删除这 2 种极端情况下的 B 点和 C 点
13、的振动速度响应进行评价,约束条件是评价点的垂向振动速度响应幅值不大于 20 mm/s,如图 2 和图 3 所示。整个设计域内全设支柱时,在 B、C 这 2 点的振动响应小于 20 mm/s;而在整个设计域内无支柱的设计方案中,该 2 点的振动响应大于 20 mm/s。据此推测,至少存在 1 种介于 2 种方案之间的支柱布局方案能够满足垂向振动速度响应的约束条件。结构拓扑优化是 1 种优化结构材料空间分布的方法,其常用的拓扑表达形式和材料插值模型方法包括均匀化方法、密度法、拓扑函数描述法和变厚度方法等。HyperWorks/OptiStruct 软件是一款已广泛商用的拓扑优化计算工具,其拓扑优化
14、材料模型采用变密度法(solid isotropicmaterial with penalization,SIMP),即将模型中每个单元的单元密度作为设计变量,取值为 0 1。单元密度接近 1表示应保留该单元,接近于 0 表示可移除该单元。图 2 设计域支柱全保留方案下评价点速度响应(22.5 mm/s)79马天帅,等:基于动力学优化的大跨度板架区域支柱拓扑布局研究2023年第3期总第204 期总 体 与 结 构如图 1 所示的大跨距甲板板架结构建立的支柱布局优化问题,可通过式(1)的数学模型表示:(1)式中:me为支柱单元质量(e=1,2,.,n;n 为支柱单元数量);xe为支柱单元人工密度
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