基于响应面法的船舶I型加筋板架轻量化设计.pdf

【机械与电子工程】:./.基于响应面法的船舶 型加筋板架轻量化设计高建平 张千锋 范永彬 宣守锐 王俊锋 方嵛(北部湾大学 机械与船舶海洋工程学院 广西 钦州)摘 要:利用 软件对船舶 型加筋板架进行有限元分析 建立优化数学模型 对板架的上板厚度、下板厚度、板筋高度以及板筋厚度进行优化 利用灵敏度分析法分析在重压载荷条件下相关结构对板架的最大变形以及质量的影响 并利用响应面法对板架进行优化 结果表明优化后的某 型船舶加筋板架质量减轻了 证明该方法可以实现船舶 型加筋板架的轻量化设计关键词:船舶 加筋板架 轻量化 响应面法中图分类号:.文献标志码:文章编号:()船舶工业是中国重工业的重要组成部分 随着经济与科技的快速发展 船舶工业也得到快速发展 目前中国已经成为世界第一造船大国 同时对船舶制造的要求及标准越来越严格 对船舶相关结构进行轻量化设计成为研究重点 目前 型结构加筋板架在船舶领域中被广泛应用 其板架结构的合理性对船体的整体性能有较大的影响 考虑到重量和安全性等因素 需要对船舶 型加筋板架进行合理化及轻量化设计 对于船舶的未来发展具有重要意义 蔡厚平等提出基于改进粒子群算法对典型甲板进行轻量化设计 提高了设计效率 陈思均使用铝合金材料替换甲板上的钢制材料来减轻客船整体质量 黄陈哲等通过拓扑优化和尺寸优化方法使船舶加筋板的质量减少了.余杨等对板厚和纵桁进行优化 分析得到邮轮甲板的失效模式和变形控制 王金友利用蜂窝夹层板这种特殊结构使船体达到轻量化效果 等通过使用较轻质量的合成材料芯材和 个钢制面板组成的夹芯板来减轻船舶自重上述船舶板架的轻量化设计都是通过改变板架材料或改变板架结构达到轻量化效果 存在一定的不足 本文基于可靠性和经济性对船舶 型加筋板架进行尺寸优化设计进而达到轻量化效果 分析相关结构对板架变形及质量的影响程度 可为船舶板架的进一步优化研究提供一定依据 板架几何模型的设计.型船舶加筋板架模型本文选取一种典型的 型船舶加筋板架结构模型作为研究对象 该模型长 、宽、高 共 根板筋 板筋厚度 板筋间跨距 板架的三维模型及板筋局部截面尺寸如图 所示第 卷第 期 辽东学院学报(自然科学版).年 月 ().收稿日期:作者简介:高建平()男 辽宁葫芦岛人 硕士 研究方向:机械结构优化设计图 ()中:为板架上板面厚度 为板架下板面的厚度 为板筋高度 为板筋厚度.板架材料选择及载荷、约束的施加由于钢制材料价格相对便宜 且能在重压载荷下满足安全要求 具有较高的经济性和可靠性 所以制造该板架的材料选择 不锈钢密度为 /弹性模量为 泊松比为.板架总质量为.将板架的三维模型导入到 软件中进行载荷和约束的施加 首先对材料性能进行设置 然后用自动划分方法对板架进行网格划分 在板架的上表面施加 的重压载荷和相关边界约束 载荷及约束位置如图 所示.应力及变形的计算板架进行设置后可通过计算得出其在 的重压载荷下的最大应力和最大变形 得到最大应力为.远远小于材料的许用应力 最大变形为.具有较大的优化空间 板架最大应力及变形结果如图 所示 板架优化设计.优化数学模型优化数学模型是寻找最优解的一类数学模型其目的是在一组可能的解中找到最佳解 使某个特定目标函数达到最大值或最小值 本文将板架的上板面厚度、下板面厚度、板筋高度 及板筋厚度 作为设计变量 将质量 ()作为最小目标函数 将材料的最大允许变形 ()作为约束辽东学院学报(自然科学版)第 卷条件 优化数学模型为 ().()()式中:为设计变量()为约束条件为优化参数的下限值为优化参数的上限值其中 .相关参数约束设置通过设置相关参数的上下限数值能够对板架结构的几何尺寸进行约束 限制尺寸参数的变化范围从而实现优化目的板架相关尺寸参数设置见表 表 板架相关尺寸参数设置单位:名称初始值 结果分析.灵敏度分析灵敏度分析是指在优化问题的过程中 通过改变模型的输入参数 评估最优解变化情况的过程其目的是确定模型输出结果对模型输入参数变化的敏感程度 以评估模型的可靠性、稳定性及可解释性 通过灵敏度分析 可确定哪些参数是最重要的 以及它们对最优解的影响程度 这有助于指导决策和优化设计 同时也有助于识别模型中的不确定性和局限性 为进一步优化提供指导由图 的灵敏度分析可知 板架的上板面厚度对板架的最大变形影响最大 其次是板筋厚度 而下板面厚度和板筋高度对板架的最大变形影响很小 对板架的质量影响程度依次为上板面厚度、下板面厚度、板筋厚度及板筋高度.响应面模型的构建响应面法()是一种常用的实验设计和分析方法主要用于建立设计变量与响应变量之间的近似模型并优化响应变量的值 其基本原理是利用多元回归进行分析并估计设计变量对响应变量的影响从而预测响应变量的最优取值并验证模型的可靠性系统响应 与设计变量 之间的函数关系为 ()()式中:()为确定函数 为随机误差将系统响应 与设计变量 进行实验设计 二者的函数关系式为 ()()式中:()为 ()的近似函数 即响应面 为总误差响应面函数可定义为()()()式中:为常数项系数()为响应基函数为基函数系数 为基函数个数根据式()可以得出一阶和二阶响应面近似模型:().)个设计采样点相对应的响应量矩阵 ()()()后 通过最小二乘法计算包含基函数的系数矩阵:()()()第 期 高建平 张千锋 范永彬 等:基于响应面法的船舶 型加筋板架轻量化设计式中 为响应面样本矢量矩阵 若采用二阶多项式响应面 可表示为 ()将 和 代入式()即可求出响应面近似模型的系数矩阵 进而得到拟合的响应面函数表达式本文利用 中的 方法进行样本点仿真计算 结果见表 表 样本点仿真计算结果实验序号上板面厚度/下板面厚度/板筋高度/板筋厚度/最大变形/板架质量/.决定系数 是指响应面预测结果与有限元仿真之间的相似程度 其计算公式为 ()()()式中:为样本点的仿真计算值为响应面预测值为仿真计算值的均值将板架的最大变形、质量的响应面预测结果与样本点仿真计算结果进行对比分析 得到板架拟合优度曲线 如图 所示由图 可知 板架最大变形和板架质量的响应面预测值分布在 直线附近 大致呈斜率为 的辽东学院学报(自然科学版)第 卷线性变化 这表示仿真计算值与预测值基本符合拟合精度较高板架响应面模型最大变形随参数变化的响应情况如图 所示 由图 可知 板架的最大变形随上、下板面厚度及板筋厚度的增大而减小 随板筋高度的增大而增大 与灵敏度分析的结果相符合 因此 对板架进行响应面模型的分析可以优化和预测设计实验的结果.优化设计经过响应面模型优化后最终可生成 个最优候选点选取其中一个最优候选点的参数进行取整设置设定上板面厚度为.下板面厚度为.板筋高度为.板筋厚度为.优化后的板架最大应力和最大变形结果如图 所示经过验证 优化后板架最大应力和最大变形都符合安全要求 优化前后结果对比如表 所示表 优化前后结果对比参数初始值优化结果/./././.最大应力/.最大变形/.板架质量/.由表 可知 优化后板架质量为.相较于板架初始质量减小了 达到轻量化效果 第 期 高建平 张千锋 范永彬 等:基于响应面法的船舶 型加筋板架轻量化设计 结语本文基于灵敏度分析方法建立板架响应面模型 对 型船舶加筋板架在重压载荷下进行有限元分析 研究板架相关结构对板架的最大变形以及质量的影响 通过建立优化数学模型 对板架进行优化设计 将优化前后的数据结果进行对比 结果表明:板架的变形有一定的增大 但仍符合安全要求 板架质量减小了 有效地减轻了板架的质量 达到了轻量化效果 节约了材料使用成本为船舶 型加筋板架结构的进一步研究提供了一定的依据参考文献:郑少平.基于数据挖掘和代理模型技术的船舶板架结构轻量化设计研究.武汉:华中科技大学.徐学光.造船现代化的研究.上海造船 ():.李义.船舶结构轻量化设计及建造技术研究.西部交通科技 ():.沈晓迪 赵欣 王智远.超大型散货船货舱结构轻量化设计研究.船舶 ():.蔡厚平 李明霞.基于改进粒子群算法的大开口甲板板架轻量化设计.舰船科学技术 ():.陈思均.大型客船轻量化设计研究.哈尔滨:哈尔滨工程大学.黄陈哲 向阳 黄进安.船舶加筋板轻量化设计研究.舰船科学技术 ():.余杨 张晓铭 李振眠 等.邮轮大开口甲板的失效模式与变形控制设计.船舶工程 ():.王金友.基于船舶轻量化的蜂窝夹层板的结构设计及隔声性能研究.镇江:江苏科技大学.:.吕辉 于德介 谢展 等.基于响应面法的汽车盘式制动器稳定性优化设计.机械工程学报 ():.():.:(责任编辑:赵双文)辽东学院学报(自然科学版)第 卷