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船舶锚绞机结构优化设计与仿真分析研究
| 论文题名： | 船舶锚绞机结构优化设计与仿真分析研究 |
| 关键词： | 船舶锚绞机;有限元分析;结构优化;轻量化设计 |
| 摘要： | 伴随着全世界航运业的高速发展，船舶的吨位变得越来越大，载重量也随之上升，因此船舶大型化将会成为未来发展的一个重要趋势。锚绞机作为船舶甲板机械中的重要设备，是船舶能够安全可靠航行的保障。但是由于设计者在锚绞机的设计过程中缺乏精确的计算，使得锚绞机部分结构重量过大，同时理论承载能力远大于实际所受的负载。因此本文在阅读大量文献的情况下从锚绞机卷筒和机架的建模、受力分析、有限元分析和轻量化研究等几方面进行研究，论文的主要研究内容如下： （1）为了说明传统方法设计的卷筒和机架存在一定优化空间的问题，开展了基于理论载荷计算和有限元法的卷筒和机架强度校核研究。通过理论分析得到了单层绕卷下筒壳所受载荷大小和规律，说明了缆绳缠绕三圈之后的应力大小可忽略不计。将理论计算结果作为载荷对额定负载和支持负载下的卷筒和机架进行了静力学分析，表明了卷筒和机架最大等效应力值远小于材料许用应力值，存在一定优化空间。 （2）针对锚绞机卷筒重量过大这一问题进行了轻量化研究。将中心复合设计方法和多目标遗传算法（MOGA）相结合，提高了卷筒多目标优化设计结果的准确性。设计了以卷筒重量为目标变量，筒壳厚度、左侧板厚度和右侧板厚度为设计变量的优化模型，进行了多目标迭代求解计算。降低了卷筒的整体重量，在等效应力和位移变形满足要求的前提下卷筒重量降低7.38%。 （3）针对锚绞机机架重量过大这一问题进行了轻量化研究。建立了机架拓扑优化和尺寸优化模型。初步开展了基于拓扑优化理论的机架形状优化设计，分别利用正交试验法和响应面法进行了机架尺寸优化设计，说明了两种尺寸优化方法的适用范围。通过分步优化设计降低了机架重量，在等效应力和位移变形满足要求的前提下机架重量降低15.27%。 （4）为验证本文轻量化设计后卷筒和机架模型的可靠性和准确性，进行了稳定性和动态特性研究。总结了几种通过理论计算校核卷筒稳定性的方法，验证了基于有限元方法校核卷筒稳定性的可行性，说明了传统方法校核卷筒过于保守的问题。分别求解了卷筒和机架的低阶频率和峰值频率下的变形和位移，说明本文进行轻量化的方法能够实现卷筒和机架的轻量化设计，为结构体的轻量化研究提供了思路和方向。 |
| 作者： | 董有凡 |
| 专业： | 轮机工程 |
| 导师： | 胡义 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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