基于拓?fù)鋬?yōu)化的水下航行器殼體設(shè)計.pdf

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1、基于拓?fù)鋬?yōu)化的水下航行器殼體設(shè)計潘光，劉敏，曹永輝，李海志，提福江(西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西西安710072)UnderwaterAircraftShellDesignBasedonTopologyOptimizationPANGuang，LIUMin，CAOYong—hui，LIHai—zhi，TIFu—jiang(SchoolofMarineEngineering．NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an710072，China)摘要：為了能夠有效地降低水下航行器耐壓殼盡量減少重量，重量的減小可以提高有效載荷，這對體的重量，以

2、耐壓殼體的概念設(shè)計為研究內(nèi)容，使用大深度潛水器來說是十分重要的。ANSYS二次開發(fā)語言，對殼體進(jìn)行了基于漸進(jìn)結(jié)拓?fù)鋬?yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中的一類方法。與傳構(gòu)法的拓?fù)鋬?yōu)化方案，并對各方案作以比較，最終形統(tǒng)設(shè)計不同的是拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)不需要人工定義優(yōu)化成了拓?fù)鋬?yōu)化后的耐壓殼體設(shè)計方案。優(yōu)化結(jié)果表參數(shù)，而是自動將材料分布當(dāng)作優(yōu)化參數(shù)，在給定材明，其結(jié)構(gòu)型式十分新穎，值得深入地探討。料品質(zhì)和設(shè)計域內(nèi)，通過優(yōu)化設(shè)計方法，可得到既滿關(guān)鍵詞：拓?fù)鋬?yōu)化；殼體；漸進(jìn)結(jié)構(gòu)法足約束條件又使目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)布局形式及構(gòu)中圖分類號：TM344．1件尺寸。它是將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)鋯栴}，轉(zhuǎn)化為文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A在

3、給定的設(shè)計區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料的分布問題。文章編號：1001—2257(2013)05—0016一O41基本方法Abstract：Inordertobeabletoreducetheun—derwatervehiclepressureshellweighteffectively，拓?fù)鋬?yōu)化常見的方法有均勻化法、變厚度法、變inviewoftheconceptualdesignofthepressure密度法及漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法等。hullastheresearchcontent，theuseofANSYS漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化(ESO)方法通過逐步刪除固定網(wǎng)secondarydevelopm

4、entlanguage，forshellbasedon格劃分結(jié)構(gòu)上的無效或低效的單元，使結(jié)構(gòu)逐漸趨theevolutionarystructuraltopologyoptimization于最優(yōu)化。在優(yōu)化迭代過程中，使用逐步增加的刪solutionmethod，andthesolutionincomparison，fi—除率或逐步減小的添加率，有效地控制刪除單元和nallyformedafterthetopologicaloptimizationof增加單元的數(shù)量，使迭代步之間的結(jié)構(gòu)變化很小，從pressurehulldesign，optimizationresultssh

5、owthat而實現(xiàn)從初始設(shè)計結(jié)構(gòu)不斷演化、進(jìn)化到最優(yōu)結(jié)構(gòu)。thestructurepatternisverynovel，isworthyfur—ESO方法在優(yōu)化過程中，不產(chǎn)生0～1之間的中間密度，拓?fù)湫问角逦?，具有良好的工程?yīng)用性_1]。therstudy．Keywords：topologyoptimization；thepressureVonMises應(yīng)力準(zhǔn)則認(rèn)為結(jié)構(gòu)中應(yīng)力低的部分是沒得到充分利用的，可以從結(jié)構(gòu)中刪除，從而使剩hull；ESO余部分的應(yīng)力接近于同一應(yīng)力水平。結(jié)構(gòu)潛在的失效形式通常是過大的應(yīng)力或應(yīng)變，相反，結(jié)構(gòu)中的低0引言效材料則是低應(yīng)力或低應(yīng)變部分。理想的

6、情況是結(jié)耐壓殼體是大深度潛水器的主要承力結(jié)構(gòu)，需構(gòu)中各部分的應(yīng)力處于同一應(yīng)力水平。因此，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化準(zhǔn)則是基于局部應(yīng)力水平的，也就是說低應(yīng)要承受非常高的靜水壓力，它的重量幾乎占據(jù)了整個潛水器重量的1／4到1／2，所以大深度潛水器耐力部分的材料被認(rèn)為是沒有充分利用的，故可從結(jié)壓殼體的設(shè)計直接影響潛水器的有效載荷。通過拓構(gòu)中刪除。每個單元的應(yīng)力水平是通過該單元的VonMises應(yīng)力與結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力的比較來決定撲優(yōu)化，可以在保證耐壓殼體安全性要求的基礎(chǔ)上的。將單元的VonMises應(yīng)力與整個結(jié)構(gòu)的最收稿日期：2012—11一l4大VonMises應(yīng)力進(jìn)行比較，便可確定每個單·16·

7、《機械與電子》2O13(5)元的相對應(yīng)力水平。對于各向同性材料，基于第四大，尤其是當(dāng)其位于重要結(jié)構(gòu)部位(如連接部)時，會強度理論的VonMises應(yīng)力一直是最常用的準(zhǔn)則使結(jié)構(gòu)變得畸形而不穩(wěn)定，余下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力陡然增之一。大，有時甚至使原結(jié)構(gòu)斷開而遭到破壞。產(chǎn)生該問在每次迭代結(jié)構(gòu)分析后，從模型中刪除滿足下題的主要原因是隨著刪除過程的進(jìn)行，各部分的應(yīng)列條件的所有單元：。力變化是非線性的，而刪除率是線性遞增的，并不能wn隨著當(dāng)前情況作出適應(yīng)性調(diào)整，造成刪除率可能過