基于nastran板架结构优化计算【毕业设计】.doc

1、浙江海洋学院毕业生论文 目录 1 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 基于 nastran 板架结构优化计算 学 院： 学生姓名： 专 业： 船舶与海洋工程 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 浙江海洋学院毕业生论文 目录 2 目 录 绪 论 . 3 有限元法的在船舶方面的重要作用 . 3 优化设计的意义极其发展情况 . 3 尺寸优化 . 4 形状优化 . 5 拓扑优化 . 6 有限元建模原则 . 7 散货船结构强度直接计算指南 . 7 第 2 章 载荷直接计算 . 7 第 3 章 设计载荷 . 10 1 计算概述 . 16 1.1 评估依据 . 16 1.2 图纸资料 . 16 2 船体

2、说明 . 16 2.1 主尺度 . 17 2.2 结构型式 . 17 3 有限元模型 . 17 3.1 模型范围 . 17 3.2 坐标系 . 17 3.3 边界条件 . 18 4 计算工况和载荷 . 18 4.1 计算工况 . 18 4.1.1 关于 模型中所建场名称的说明 . 18 4.2 舱内货物压力 . 19 4.3 舷外水压力 . 19 4.3.1 模型中各工况下的系数数值 . 20 4.4 集装箱载荷 . 20 4.4.1 舱内集装箱载荷 . 20 4.4.2 舱口集装箱载荷 . 21 5 许用应力 . 21 5.1 船底板、内底板、甲板 . 21 5.2 舷侧板、顶边舱、底边舱斜

3、板 . 21 5.3 船底纵桁 . 21 5.4 肋板、舷侧肋骨、凳边板 . 22 5.5 横舱壁 . 22 5.6 肘板 . 22 5.7 梁单元许用应力 . 22 浙江海洋学院毕业生论文 目录 3 6 计算结果及分析结论 . 22 6.1 板单元最大应力及对应工况见下表： . 22 7 具体强度校核 . 23 7.1 应力值 . 23 7.1.1 船底板 . 23 7.1.2 内底板 . 23 7.1.3 甲板及角隅 . 23 7.1.4 舷侧内壳板及顶、底边舱斜板 . 23 7.1.5 舷侧外板 . 24 7.1.6 船底纵桁及平台板 . 24 7.1.7 横舱壁 . 24 7.1.8

4、强框架 . 24 7.1.9 肘板 . 25 7.1.10 舱口围板 . 25 7.1.11 梁单元 . 25 7.2 应 力云图 . 25 7.3 结果分析 . 46 8.总结 . 46 致谢词 . 48 浙 江海洋学院毕业生论文 正文 1 基于 nastran板架结构优化计算 摘 要 船体结构作为船的主体构造 ，其整体与部分上的各种受力受压情况关系到整条船的性能。 船体结构的优化 问题已被航运界、造船界和船级社列为重要的热点问题之一。但是整个船体的结构优化内容过于复杂繁多，出于论文的局限性，这里主要对船体横向强度计算来进行优化 ，研究结果具有重要的理论意义和实用价值。 论文主要围绕多用途货

5、船有限元分析展开研究，研究内容包括船体结构建模、有限元方法理论、船体各部件受力计算。研究结果对于船舶整体的可靠性设计和重要设备安装具有重要的指导意义 。 关键词 横 向强度 ;优化 ;有限元；建模 浙 江海洋学院毕业生论文 正文 2 Plate frame structure optimization based on the NASTRAN Abstract The hull structure is the ships main structure.A variety of whole and part is related between the force of compression

6、 to the performance of the whole ship. Hull structure of the optimization problem has been one of the important hot issues of shipping industry, shipbuilding industry and classification societies. But the content of the entire hull structure optimization are too complexed and diversed for the limita

7、tions of the paper, where the main calculation of the transverse strength of the hull to be optimized, the findings have important theoretical significance and practical value. The papers mainly focus on the finite element analysis of a study of the multi-purpose cargo ship. The study includes the h

8、ull structural modeling, finite element method theory, various parts of the hull by the force calculation.The study has important guiding significance to ship the reliability of the overall design and key equipment installation. Key word Transverse strength; optimization; finite element; modeling 浙

9、江海洋学院毕业生论文 正文 3 绪 论 有限元法的在船舶方面的重要作用 有限元法 17也称有限单元法或有限元素法，是计算机辅助工程 CAE 的一种，有限元方法已成为工程结构分析中应用最广泛、最有效的数值方法之一。在我国造船领域，有限元技术的发展始于 20 世纪 70 年代，经过多年的研究开发，一些专用软件广泛应用在船舶设计、计算中，对我国船舶事业的发展 作出了重大的贡献。 有限元在船舶结构中的应用，使船舶结构分析上升到了一个新水平。利用有限元法可以相当准确并迅速的计算出船体的某种响应特性，解决了许多过去无法解决的问题。船体结构的有限元计算已经扩展到三维舱段立体结构计算或整艘船舶全部结构的有限元

10、计算，船体各细部可以真实的反映在计算中，使结构应力计算达到相当的精确和详细程度。对于一些技术密集型船舶、高性能船舶、特种新型船舶，传统的船舶设计规范很难满足其设计需要，有限元方法就成为这类船舶结构设计必不可少的工具。采用通用有限元软件进行船舶结构分析，已经取得了很好的 效果。 优化设计的意义极其发展情况 随着船舶事业的发展、计算理论及计算手段的更新，船舶结构设计的理论和方法也在不断地更新发展。不论是规范法设计还是计算法设计，半概率的直接计算法还是概率设计计算法，都是在安全适用的前提下寻求最大的经济效益，即船舶结构优化设计问题。船舶结构优化设计在于寻求既安全又经济的结构形式。而结构形式包括了尺寸

11、、形式和拓扑等信息。其目标是求解具有最小重量的结构，同时必须满足一定的约束条件，以获得最佳的静力或动力形态特性。寻求合理的结构形式和适当的结构尺寸，使船体结构在满足强度、刚度、稳性 及频率等条件下具有较好的力学性能、工艺性能、经济性能及使用性能。其任务是利用最优化技术，在满足设计约束条件寻求一个最优的设计方案。 结构优化根据变量的性质可以分为：连续、离散、混合变量模型。船舶是一个复杂的空间结构物，结构设计因含有骨材间距等连续变量和钢板厚度、型材面积等离散变量，故船舶结构优化属于混合优化。船舶结构设计具有很强的综合性、经验性、模糊性、多目标性和创浙 江海洋学院毕业生论文 正文 4 造性等。如何将

12、世纪工程特点、现代数学理论以及最新计算机技术结合起来是船舶结构设计的难点。 结构优化设计大体可分为三个阶段。第一阶段是建立数学 模型，其目的是将工程问题转化为数学问题。船舶结构最优化问题的数学模型以结构最小重量为目标，其目标函数是线性的，约束表达式是非线性的。第二阶段是选择一个合理的、有效的计算方法。第三阶段是编制通用的计算机程序。程序编制能迅速给出同一类型的结构的最优设计方案。如何将各优化方法进行船舶结构优化设计有两个关键的问题：一是建立合理、可行的数学模型；二是选择适当的优化算法。针对各类船舶复杂的结构型式，建立合理可行的优化数学模型，选择适当的优化策略，选择或开发实用的优化算法，是造船界

13、关注研究的一个热点。 结构优化设计可以根 据设计变量的类型分为不同的层次：在给定结构的类型、材料，布局拓扑和外形几何的情况下，优化各个组成构件的截面尺寸，使结构重量最轻或最经济，通常称为尺寸优化 ,它是结构优化设计中的最低层次；如果结构的几何也可以变化，如，把桁架和刚架的节点位置或连续体边界形状的几何参数作为设计变量，为较高的层次优化即形状优化；进而再允许对桁架节点联结关系或连续体结构的布局进行优化：则优化达到更高的层次即拓扑优化。显然，随着结构优化层次的提高，其难度也越来越大。经过很多年的研究，人们在尺寸优化和形状优化方面相当成功，特别是结构尺寸优 化的研究，普遍认为相当成熟，而结构拓优化研

14、究被认为最为困难，进展也相对缓慢。 尺寸优化 尺寸优化用来修改单元的各种基本属性，如厚度、截面形状以及刚度。某些结构单元的各种属性可能彼此相关，如梁的截面积、惯性矩、扭转常数都与截面几何形状相关。因此优化中单元属性并不一定直接作为设计变量，但可以表达为设计变量的函数。对一些简单的优化问题，如仅调整板厚，单元属性则直接作为设计变量。用有限元计算结构位移和应力时，尺寸优化过程不需要重新划分网格，直接利用敏度分析和适当的数学规划法就能完成。对于一定的几何状态，如固定节点 位置和单元连接的桁架结构，有限元分析只是在杆的横截面特性发生变化时需要重复进行。对于具有连续性结构的板或壳，也只是把各单元厚度作为

15、设计变量，优化结果是阶梯形分布的板厚度或壳厚度。这类优化过程中，设计变量与刚度矩阵一般为简单的线性关系。因此，尺寸优化研究重点主要集中在优化算法和敏度分析上。这一层次的研究经历了 20 多年，虽是结构优化中的最低层次，但它却为加深对结构优化问题的认识、使用各种不同类型的算法提供了宝贵的经验。对船舶结构设计分析时大多将最后的问题浙 江海洋学院毕业生论文 正文 5 落脚于尺寸优化中。船舶结构优化设计中尺寸优化占有很重要的地 位。例如：李仲伟、吴有生、崔维成 基于有限元法的小水线面双体船结构优化利用几种商业软件对小水线面双体船结构进行了尺寸优化；程远胜，游建军船舶坐墩墩木布局及尺寸优化设计建立了船舶

16、坐墩墩木布局及尺寸优化设计的数学模型，用分级优化方法来求解，外层采用遗传算法确定墩木最佳位置，内层采用序列二次规划方法确定墩木最佳尺寸，较好地解决了配墩优化这类混合变量优化问题；陶政国等 散货船舯剖面纵向构件结构优化设计在满足船舶结构强度和稳定性条件下采用分级优化方法，开发了散货船剖面纵向构件结构优化设计程序。 形状优化 结构形状优化就是选择描述边界形状的若干参数作为设计变量，通过适当方式改变这些参数值，从而确定形状，降低应力集中、改善应力分布状况使边界上最大应力极小化为目的。其主要特征是，待求的设计变量是所研究问题的控制微分方程的定义区域，所以是可动边界问题。它主要研究如何确定结构的边界形状

17、或者内部几何形状，以改善结构特性。许多重要结构或部件往往因为局部应力集中 而造成疲劳、断裂破坏。在船舶结构中，有些构件的部分边界 (如舱口角隅 )因承受载荷而产生应力集中，造成结构损伤。因此，寻求良好的边界形状，使其应力分布合理，在船舶结构 设计中是一个非常重要的问题。实践表明，结构的形状优化设计是解决这类问题的有效途径之一。就形状优化的数值方法而言，由于它是逐次迭代的过程，必须选择一种高效率的应力计算手段、一个简易可行的灵敏度分析技巧和一个稳定可靠的最优化方法。因此，在船舶结构的可变边界上选取边界元节点坐标，采用边界元法计算边界应力，并求解带自适应移动界限的序列线性规划使应力集中极小化。 形

18、状优化设计相对尺寸优化设计，研究起步较晚，已经取得的研究成果较少。主要有两方面的原因：其一，由于在形状优化过程中分析模型不断变化，因而必须不断地重新生成 有限元网格并进行自适应分析，有一定的难度。其二，由于形状优化过程中，单元刚度矩阵、结构形态与设计变量之间的非线性关系，使得形状优化的敏度分析计算量比尺寸优化要大得多，也困难得多。形状优化设计也因此引起了工程界、数学界和力学界的极大兴趣。 1973年， Zienkiewicz 和 GaUagher 发表了形状优化领域的第一篇文章，将有限元网格的边界节点坐标作为设计变量。但它的缺点是：设计变量数庞大，优化过程中设计边界上光滑连续性条件无法保证致使

19、边界产生锯齿形状为了解决这一问题，以后逐步形成了用边界形状参浙 江海洋学院毕业生论文 正文 6 数化描写的方 法，即采用直线、圆弧、样条曲线、二次参数曲线和二次曲面、柱面来描述连续体结构边界，结构形状由顶点位置、圆心位置、半径、曲线及曲面插值点位置或几何参数决定。各类曲线或曲面的不同形式构成了各种不同的边界描述方法，对各类形状优化问题而言，目前并不存在一种标准的方法。 1982 年， lman 提出了设计元法。该方法的主要思想是把结构分成若干子域，每个子域对应一个设计元。设计元由一组控制设计元几何形状的主节点来描述，接着选择一组设计变量来控制主节点的移动。这一方法的应用可以有效地减少设计变量，

20、但是，设计元在优化过程中 也有网格致畸的缺点。边界元技术只需要边界离散，适合于边界形状优化。边界元法克服了有限元法用于形状优化的两个主要缺点，即可变边界区域内的有限元网格重划分和复杂的敏度分析。然而边界元法不如有限元法可靠。形状优化在船舶结构优化设计应用也非常广泛如：徐昌文，俞铭华论船舶结构的形状优化考虑到二维弹性体形状优化的特点，采用边界元法和带自适应移动界限的序列线性规划对船体平面结构进行优化以降低应力集中。李仲伟、吴有生、崔维成基于有限元法的小水线面双体船结构优化利用有限元软件对一艘小水线面双体船结构进行了形状优化； 徐昌文、俞铭学、韦疑男舱口角隅形状优化的光弹性试验研究致力于船舶舱口角

21、隅形状优化设计的光弹性试验研究工作，采用冻结应力 1 法测定不同角隅形状得应力集中系数，与理论计算相比结果令人满意，验证了作者所提出的形状优化数值方法的有效性。 拓扑优化 在形状优化过程中，初始的结构和最终的结构是同一拓扑结构，经形状优化后，改变的只是开孔的边界形状，开孔数没有增加或减少。实际上有时存在这样的情况，即在同样满足设计约束条件下，开孔数的改变比开孔形状的改变对降低板的重量更有效，这就是拓扑优化研究的初衷。拓扑优化的基本 思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材料的分布问题。寻求一个最佳的拓扑结构形式有两种基本的原理：一种是退化原理，另一种是进化原理。退化原理

22、的基本思想是在优化前将结构所有可能的杆单元或所有材料都加上，然后构造适当的优化模型，通过一定的优化方法逐步删减那些不必要的结构元素，直至最终得到一个最优化的拓扑结构形式。进化原理的基本思想是把适者生存的生物进化论思想引入结构拓扑优化，它通过模拟适者生存、物竟天择、优胜劣汰等自然机理来获得最优的拓扑结构。尽管利用有限元和边界元都可以自动划分网格，但 对于一个拓扑结构变化的模型数据处理却尚未有研究，所以，在设计区域要自动产生开孔是很困难的。为了突破这一局浙 江海洋学院毕业生论文 正文 7 限，一种直觉的方法是考虑利用“固定一的有限元模型，在此模型中较小应力的单元被人为地指定具有很软的材料以近似地产

23、生开孔。 有限元建模原则 有限元建模的总则是根据工程分析的精度要求 ,建立合适的 ,能模拟实际结构的有限元模型。在连续体离散化及用有限个参数表征无限个形态自由度过程中不可避免的引入了近似。为使分析结果有足够的精度 ,所建立的有限元模型必须在能量上与原连续系统等价。具体应满足下述准则 : 1) 有限元 模型应满足平衡条件。 2) 变形协调条件。 3) 必须满足边界条件。 4) 刚度等价原则。 5) 认真选取单元 ,使之能很好的反映结构构件的传力特点 ,尤其是对主要受力构件应该做到尽可能的不失真。 6) 应根据结构特点 ,应力分布情况 ,单元的性质 ,精度要求及其计算量的大小等仔细划分计算网络。

24、7) 在几何上要尽可能地逼近真实的结构体 ,其中特别要注意曲线与曲面的逼近问题。 8) 仔细处理载荷模型 ,正确生成节点力 ,同时载荷的简化不应该跨越主要的受力构件。 9) 质量的 堆积应该满足质量质心 ,质心矩及其惯性矩等效要求。 10) 超单元的划分尽可能单级化并使剩余结构最小。 散货船结构强度直接计算指南 第 2 章 载荷直接计算 2.1 一般规定 船舶在海上航行时，除承受浮力、货物载荷及相应的惯性载荷外，还承受来自波浪引起的波浪载荷， 本节规定了船舶静水载荷和波浪载荷计算的基本原则。 船舶的静水载荷和波浪载荷可按本社认可的计算程序进行计算。 2.2 船舶静水载荷的计算 2.2.1 重量曲线