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水下耐压壳体拓扑优化设计方法探究
| 论文题名： | 水下耐压壳体拓扑优化设计方法探究 |
| 关键词： | 船舶工程;拓扑优化;压力载荷;耐压结构;加载面搜索;应力约束 |
| 摘要： | 拓扑优化方法作为一种结构概念设计工具,为工程设计者在给定目标函数(如最小柔顺度)和约束(如材料体积,应力)的条件下寻找最优的材料分布形式提供了极大的便利。 本文主要探索了拓扑优化设计方法在水下耐压结构设计中的应用。随着高性能材料的应用,在不同工况下最优的水下耐压壳体形式也有待于在经验基础上进一步探索。传统的优化设计方法主要是以考虑加强筋型号及壳体厚度的尺寸优化和特定拓扑形式下的形状优化为主。而拓扑优化方法则是在给定的设计准则下寻找设计区域内最优的材料分布,允许设计者得到无法凭经验预料到的结构新形式。 在水下耐压结构的拓扑优化设计中,压力加载面会随着结构轮廓的变化而变化,相应的压力作用情况也会改变,从而导致最优结果与固定荷载时得到的不同。而由变密度法得到的中间结构拓扑包含许多灰度单元,并没有确定的结构轮廓。因此,优化进程中确定合适的压力加载面成为解决此类优化问题的关键。考虑到由SIMP模型得到的中间拓扑实际上可以看作是灰度图,本文提出了基于图像分割技术的压力加载面搜索方法。本文采用了基于水平集的灰度图像边界探测算法,并将其拓展到三维问题,从而保证了三维耐压结构拓扑优化的实现。继承了水平集方法的优点,提出的加载面搜索方法比传统方法更加稳定,更具一般性,且对设计者的经验依赖性较小。 在实际的水下耐压结构形式选择中,需要考虑成本、材料强度及可靠性等各类因素。为了简化计算模型,本文首先研究了给定材料约束的最小柔顺度(最大刚度)设计问题。因为水下潜器的耐压壳体在相当长的距离内结构形式保持一致,本文首先研究了静水压力作用下的平面应变问题,验证了圆柱壳作为耐压结构的合理性。另外,通过采用不同的位移边界条件,利用轴对称模型研究了不同的耐压壳体形式。优化结果说明了提出的算法在多球交接耐压壳等结构新形式探索中的应用前景。最后,研究了静水压力作用下的三维模型并优化得到了球壳。算法的实现说明,只要给定合适的边界条件,利用本文提出的算法完全有可能得到满足要求的最优耐压结构。同时,合理的计算结果进一步证明了提出的加载面搜索算法在处理复杂压力作用面方面的优势。 最后,研究了考虑应力约束的二维连续体结构拓扑优化设计问题并详述了算法的具体实施过程。依赖于提出的加载面搜索算法的稳定性及处理离散材料密度分布方面的优点,本文研究了考虑材料强度的耐压结构轻量化设计问题并得到了合理的计算结果。 |
| 作者： | 王存福 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 葛彤;赵敏 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 上海交通大学 |
| 学位年度： | 2014 |
| 正文语种： | 中文 |
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