船舶结构动力优化设计研究

结构动力优化设计是工程结构设计领域中有待研究的难度大且内容新颖的前沿性课题之一。船舶结构不可避免地受到空间环境的各种激励干扰作用，其动载荷相当复杂和多样化，产生的方式从螺旋桨、推进系统的激励到主机、辅机的激励等，动力损伤和破坏是其主要的失效形式。对于大型复杂的船舶结构系统，苛刻的质量轻量化要求、复杂的动力环境条件以及众多的高性能指标要求，使得开展其动力优化设计方面的研究与应用变得日益迫切。针对结构动力优化设计的研究现状以及目前对船舶结构在复杂动力约束条件下进行优化设计的迫切要求，对大型复杂船舶结构动态特性的优化建模、求解策略等进行全面、系统的研究和实现，内容涉及到结构动力灵敏度分析、船舶结构的刚度分配设计和分级优化、多工况与多目标优化设计、结构动力特性的优化设计、结构动力响应的优化设计等方面。本项目的研究对大型复杂的船舶结构动力优化设计的研究和发展具有重要的理论意义和潜在的应用价值。

结构动力优化设计是工程结构设计研究领域比较前沿性的课题，它的主要任务是通过优化以改善结构的动态特性，达到控制振动的目的或者确保结构在各种动力环境下的工作安全可靠。本项目针对大型复杂船舶结构动态特性的优化建模、求解策略等进行了全面、系统的研究和实现，在结构动力灵敏度分析、船舶结构的刚度分配设计和分级优化、多工况与多目标优化设计、结构动力特性的优化设计、结构动力响应的优化设计等方面均取得了较好的研究成果。. 结构灵敏度分析方法与优化算法将直接影响结构优化设计的实现效率。本文对有限差分法、半解析法、解析法和DOE方法等多种结构灵敏度分析方法进行了分析和比较。指出可以采用约束灵敏度和质量灵敏度的比值作为改进设计的依据，选用DOE参数试验方法进行大型工程结构的设计灵敏度分析比较合适。. 由于船舶结构的设计变量维数高，单元类型多，性态函数复杂，如果集中进行优化设计，其计算量和耗机时量都是相当巨大的。本项目提出了一种基于刚度分配的分级优化方法，在质量—弹簧简化模型刚度分配优化的基础上，采用叠加式有限元模型进行分级优化，成功地实现了大型复杂的船舶结构动力特性的多工况优化设计。研究表明，由于每一级优化中只考虑某一个舱段的设计变量，使得大型工程结构的优化模型得以简化，同时能够保证整船结构满足各项总体性能指标。. 多目标优化模式能够对多种重要指标进行兼顾，更符合工程结构的优化需求。本项目在传统理想点法的基础上，根据给定的加权系数对各目标函数的优化程度进行了适当的协调处理，并将约束法的基本思想引入到评价函数法中，通过比较分析验证了改进措施的合理性和优越性。建立了船舶结构的多目标优化模式，分别采用评价函数法和完全分层法，以结构质量和基频作为目标函数，以各设计参数的变化范围、应力、位移和屈曲等为约束条件，实现了对船舶结构的多目标优化设计。. 船舶结构是在空间环境的各种激励载荷下工作，其全局优化设计不仅需要考虑结构动力特性的优化，还应该通过结构动力响应的优化设计来有效地控制在激励作用下船上关键部位的动响应幅值。结构动力响应优化是结构动力优化中难度较大内容较新的分支，同时涉及到结构动力特性和响应分析、结构动力响应灵敏度分析以及优化设计。本文从频率响应分析方法出发，对动力响应灵敏度系数的求解进行了推导，提出了动力响应优化模型，实现了整船结构动态特性的全局优化设计。