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复杂船体结构拓扑优化中最小稳定拓扑板厚的快速确定方法

朱俊侠 吴嘉蒙 刘亚冲 高明星

朱俊侠, 吴嘉蒙, 刘亚冲, 等. 复杂船体结构拓扑优化中最小稳定拓扑板厚的快速确定方法[J]. 中国舰船研究, 2021, 16(6): 1–7 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02055
引用本文: 朱俊侠, 吴嘉蒙, 刘亚冲, 等. 复杂船体结构拓扑优化中最小稳定拓扑板厚的快速确定方法[J]. 中国舰船研究, 2021, 16(6): 1–7 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02055
ZHU J X, WU J M, LIU Y C, et al. Rapid determination method of minimum stable topological plate thickness in topology optimization of complex hull structures[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2021, 16(6): 1–7 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02055
Citation: ZHU J X, WU J M, LIU Y C, et al. Rapid determination method of minimum stable topological plate thickness in topology optimization of complex hull structures[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2021, 16(6): 1–7 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02055

复杂船体结构拓扑优化中最小稳定拓扑板厚的快速确定方法

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02055
详细信息
    作者简介:

    朱俊侠,男,1994年生,硕士,助理工程师

    吴嘉蒙,男,1976年生,硕士,研究员

    刘亚冲,男,1988年生,博士,高级工程师

    高明星,男,1993年生,硕士,助理工程师

    通信作者:

    吴嘉蒙

  • 中图分类号: U674.133.1

Rapid determination method of minimum stable topological plate thickness in topology optimization of complex hull structures

  • 摘要:   目的  船体结构拓扑优化的设计域通常是基于二维板壳单元,而设计域板厚的取值差异又会对体积分数约束值的设定以及稳定拓扑构型的获得带来了影响,进而制约拓扑优化方法在船体结构设计领域的实用化,故需要开展相关研究予以解决。  方法  以VLCC油船货舱内的横向强框架为优化对象,提出一种设定复杂船体结构体积分数约束值的折衷方法及基于单元统计识别构型并确定最小稳定拓扑板厚的方法。  结果  通过理论分析及相关试算表明,所提方法可以获得较为可靠的体积分数约束值和设计域最小稳定拓扑板厚,  结论  具备有效性和可行性,可为大型油船横向强框架的拓扑优化提供技术支撑,同时还可为其他复杂船体结构的拓扑优化提供参考。
  • 图  1  拓扑优化目标横向强框架所在位置

    Figure  1.  Location of target transverse web frame for topology optimization

    图  2  横向强框架拓扑优化设计域

    Figure  2.  Design domain of transverse web frame for topology optimization

    图  3  横向强框架设计域分区示意图

    Figure  3.  Distribution of design domain in transverse web frame

    表  1  不同设计域板厚与对应体积分数约束值下的横向强框架拓扑优化结果

    Table  1.   Topology optimization results of transverse web frame constrained by different plate thickness of design domain and corresponding volume fraction

    td/mmCvf设计域拓扑优化
    单元密度云图
    拓扑优化结果(x=0.3)
    150.32
    200.21
    23(taver0.17
    250.14
    300.10
    350.07
    400.04
    注:设计域拓扑优化单元密度云图中,蓝色区域的单元为低密度单元(0~0.1),红色区域的单元为高密度单元(0.9~1),单元密度值越高越接近于红色。
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    表  2  相同体积分数约束值(Cvf = 0.17)下不同设计域板厚所得拓扑优化结果

    Table  2.   Topology optimization results with different thickness of design domain under the same volume fraction constraint (Cvf = 0.17)

    td/mm设计域拓扑优化
    单元相对密度云图
    拓扑优化结果(x=0.3)
    15
    20
    23(taver
    25
    30
    35
    40
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    表  3  A1_HSM1_S工况下不同设计域板厚所得拓扑优化结果

    Table  3.   Topology optimization results of different plate thicknesses of design domain in the load case of A1_HSM1_S

    td/mm设计域拓扑优化
    单元相对密度云图
    最终迭代步设计域
    等效应力分布云图
    设计域应力
    最大值/MPa
    10379
    15291
    20226
    25241
    40164
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    表  4  A2_BSR1P_S工况下不同设计域板厚所得拓扑优化结果

    Table  4.   Topology optimization results of different plate thicknesses of design domain in the load case of A2_BSR1P_S

    td/mm设计域拓扑优化
    单元相对密度云图
    最终迭代步设计域等效应力分布云图设计域应力最大值/MPa
    10371
    15272
    22262
    23253
    24235
    40172
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    表  5  4种工况下不同设计域板厚的参数统计结果

    Table  5.   Statistics of different plate thicknesses of design domain under four load cases

    工况设计域板厚X/mm单元数量
    num_port_Xnum_mid_Xw_port_Xw_mid_X
    A1_HSM1_S 10 15 780 0.16 1.46
    14 30 742 0.33 1.39
    15(min) 36 728 0.39 1.36
    16 38 746 0.41 1.40
    20 47 686 0.51 1.28
    23 54 656 0.59 1.23
    40 92 534 1.00 1.00
    A1_FSM2_H 10 28 674 0.10
    15 40 587 0.14
    23 227 170 0.79
    24(min) 267 4 0.93
    25 274 2 0.95
    40 287 0 1.00
    A2_BSR1P_S 16 0 776 0.00 3.46
    22 169 332 0.78 1.48
    23(min) 186 250 0.86 1.12
    24 202 234 0.94 1.04
    40 216 224 1.00 1.00
    A2_HSM1_S 10 172 336 0.65 3.23
    11(min) 242 134 0.92 1.29
    12 245 124 0.93 1.19
    15 250 120 0.95 1.15
    23 270 106 1.03 1.02
    40 263 104 1.00 1.00
    注:min表示该设计域板厚为经本文构型识别法确定的该工况下强框架设计域最小稳定拓扑板厚。
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-08-02
  • 修回日期:  2020-12-24
  • 网络出版日期:  2021-05-26

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