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原文传递基于响应面法的船舶结构轻量化研究

论文题名：	基于响应面法的船舶结构轻量化研究
关键词：	船舶结构;轻量化;响应面法;三维有限元模型;刘易斯法;船舱等效应力
摘要：	随着我国经济的快速发展，环境问题日益凸显，近年来更是出现了严重的雾霾天气，呼吸新鲜空气都变成了一种奢望。船舶作为主要的交通运输工具之一，减轻船舶重量便能减少耗油量和污染物的排放量，从而起到保护环境的作用，因此船舶轻量化研究越来越受到研究人员的重视。　　目前在船舶结构轻量化的研究中主要有两种方法:规范法和直接计算法。规范法只利用规范进行结构优化，计算精度较低;依靠集成软件的直接计算法每次迭代都要进行一次有限元分析，计算效率低;通过构造函数的直接计算法可以提高计算精度和效率，但现有的研究中只考虑了船舶的静态特性，没有将船舶动态特性考虑在内。因此，在同时考虑船舶静态和动态特性的情况下，将响应面法引入到船舶结构轻量化研究中，结合有限元法、响应面法、设计规范以及优化方法，对货船的船舱进行了结构轻量化研究。完成的主要工作如下: 　　(1)在总结国内外船舶轻量化研究的基础上，将响应面法、有限元法、设计规范以及优化方法加以融合，制定了具体的船舶轻量化研究方案。　　(2)针对50m货船的船舱，建立了船舱的三维有限元模型，计算了在最危险工况下船舱所受的端面弯矩、舷外水压力和货物载荷。对船舶进行了舱段结构强度计算，得到了船舱各构件的最大等效应力和剪应力数值，并且得到了船舱的等效应力云图和剪应力云图，分析结果表明船舱的最大等效应力和剪应力均出现在角隅处，但没有超过规范规定的许用应力，有一定的优化空间。　　(3)采用刘易斯法对船舶附连水质量进行了计算，得到了第1阶垂向弯曲振动附连水质量、第2阶垂向弯曲振动附连水质量以及第1阶水平弯曲振动附连水质量。采用船舶杂交有限元模型（船头和船尾采用一维模型，船舱采用三维模型），并施加附连水质量后对船舶船舱进行了模态分析，得到了船舱的前三阶的固有频率、振型和模态应力云图。结果表明船舱的前三阶振型分别为2节点垂向弯曲振动、扭转振动和3节点垂向弯曲振动，并且前三阶固有频率均远离主机和螺旋桨的工作频率，避免了船舶发生共振。　　(4)利用参数灵敏度分析方法，分析了船舱最大等效应力、最大剪应力、第1阶振动（垂向弯曲振动）频率、第2阶振动（扭转振动）频率和第3阶振动（垂向弯曲振动）频率船舱相对于15组构件的灵敏度，选出了对应于若干个大灵敏度的7组构件厚度参数作为构造响应面函数的设计变量。　　(5)利用Box-Behnken试验设计方法安排试验，然后按照试验方案进行有限元分析获取试验数据，以试验数据为基础构造了船舱等效应力响应面函数、剪应力响应面函数、第1阶振动（垂向弯曲振动）频率响应面函数、第2阶振动（扭转振动）频率响应面函数和第3阶振动（垂向弯曲振动）频率响应面函数。用相关系数、校正系数、变异系数等对这5种响应面函数进行拟合度检验，检验结果表明响应面模型和实物模型的逼近度很高。此外，随机抽取样本作为响应面函数的检验样本，将响应面函数计算的结果与有限元计算的结果进行了对比，结果表明构造的5种响应面模型的精确度较高，能很好地反映试验值。　　(6)以船舶规范规定的构件最小尺寸作为尺寸约束条件，以规范对应力和频率的要求作为船舶性能的约束条件，以船舶质量最轻为目标，通过调用5个计算船舶应力和频率的响应面函数，采用序列二次规划法对船舱进行了结构优化，优化后，船舱质量降低了6.01％。采用有限元法对优化后的船舶结构进行了分析，结果表明优化后的船舶结构应力符合规范要求，而且前三阶固有频率远离螺旋桨和主机的工作频率。因此，在满足船舶静动态性能的情况下，船舶的重量得以降低，达到了船舶结构轻量化研究的目的。
作者：	赵培龙
专业：	机械电子工程
导师：	宋方臻
授予学位：	硕士
授予学位单位：	济南大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文