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圓環形複合材料防撞護舷的結構優化設計
- 2019-07-31-
構造優化設計辦法


構造優化評價指標

船橋碰撞碰撞力Fmax、護舷變形大小S和船舶吸收能量E或護舷吸收才能E*是護舷構造設計的直接表現。顯然,Fmax越小越好;S則在保證Fmax的狀況下,越小越好,這樣既能夠維護橋梁,又能夠使護舷不用一經撞擊就要改換,延長護舷運用壽命;E則越小越好或E*越大越好。但幾者之間有耦合,因而,本文采用權重法,綜合思索三者肯定防撞護舷的構造優化設計綜合評價指標OB為:

min[OB=W1×Fmax+W2×E+W3×S]

其中,W1、W2、W3為權重,本文分別取為0.7、0.2 和0.1。


設計變量的靈活度剖析

1.正交實驗計劃

防撞護舷的消能才能遭到護舷板厚度、玻璃纖維芯柱直徑以及內部消能板位置的影響,直接經過理論計算得到構造參量十分複雜,經過數值模仿會計算很屢次也難以肯定,影響設計效率。而經過正交實驗來選取厚度參數、玻璃纖維芯柱直徑參數和消能板位置參數,能夠有效減少實驗次數,進步設計效率。本文設定護舷板厚度和玻璃纖維芯柱直徑取值相同,均以厚度參數表示。依據計算和消費實踐狀況,肯定正交實驗為2因子3程度,如表2所示。


表2 正交實驗計劃各要素程度



依據實驗因子個數和實驗程度個數,選擇正交表擬定實驗計劃,詳細如表3所示,OB作為正交實驗的評價指標。

2.靈活度剖析

依據表3的正交實驗計劃停止有限元數值模仿,將結果導出計算OB值,並將3個程度的均值極差填入表3。能夠看到,厚度參數極差值簡直是位置參數極差值的3倍,標明厚度參數對防撞護舷性能的靈活性,遠高於位置參數的靈活性。


表3 正交實驗計劃及響應


若單以碰撞力Fmax、護舷變形大小S或船舶吸收能量E為正交計劃的評價指標,依據模仿結果數據取得的極差結果如表4所示。


表4 極差剖析數據


顯然,厚度參數極差值均大於位置參數極差值,再次標明了厚度參數對防撞護舷性能的靈活性高於位置參數。


基於Isigh平台對防撞護舷的構造優化設計

經過正交實驗計算剖析結果能夠看出,厚度參數和位置參數對防撞護舷的防撞效果有一定的影響。依據正交實驗結果的望小準繩,可選取較好的位置參數Φ2000mm為構造的參數,而對厚度參數運用ANSYS/LS-DYNA與Isight 集成優化平台相分離的辦法再次停止優化。優化流程如圖5 所示。


圖5 Isight優化流程圖


設定厚度參數中玻璃纖維芯柱直徑D、護舷內外板厚度T為優化設計變量,參數空間擴展為2mm≤D≤6mm, 2 m m ≤ T ≤ 6 m m ; 約束條件為船橋碰撞碰撞力Fmax≤15.82MN,防撞護舷的變形量S≤2500mm,以防止船穿透防撞護舷與橋墩相撞;評價指標OB為優化目的值。優化設計變量初始值選用4mm。

經過Isight優化平台對參數停止探究,應用梯度算法尋覓空間極值,能夠取得變量與目的值三維空間散布圖,如圖6所示。


圖6 參數-目的值優化三維空間散布圖


從圖6 中能夠看出, 參數解為D = 2 . 5 m m , T=2mm。該工況下,船橋碰撞數值模仿的碰撞力曲線、能量曲線、撞擊深度曲線及撞擊後護舷變形見圖7。


(左上)碰撞力曲線  (右上)能量曲線  (左下)撞擊深度曲線  (右下)撞擊後護舷變形圖

圖7 1000噸貨輪撞擊護舷

從圖7能夠看出,在碰撞接觸變形大時,碰撞力為6.63MN,撞深1.25m,變形能與摩擦能占總能量90.94%,其中防撞護舷吸收的能量為6.50MJ,而船舶吸收的能量為0.22MJ。防撞護舷在整個碰撞過程中,經過本身變形吸收了大局部的能量(85.53%),起到了既維護船舶又維護橋梁的作用。OB為4.81,比正交實驗取得的優化結果碰撞力降低了6.89%,綜合評價指標降低了5.87%。


優化設計保證平安


經過計算與剖析,得到如下結論:

1.由於碰撞的強非線性特性,比例縮尺模型固然不能直接反映實踐碰撞過程,但能夠經過相同工況的縮尺模型實驗與有限元計算結果比照,取得複合資料防撞護舷的單元類型、資料屬性等的選擇準繩,為取得相對準確的實踐構造防撞護舷有限元模型提供根據。

2.經過正交實驗法對防撞護舷的消能板厚度、芯柱直徑及消能板位置等變量停止靈活度剖析,發現消能板位置的靈活度較低,能夠在優化設計過程中不作為設計變量, 而取Φ2000mm為構造的參數,從而有效減少了優化過程中設計變量的個數及取值範圍。

3.在正交實驗法的根底上,經過ANSYS/LS-DYNA和Isight平台相分離的優化設計辦法,取得圓環形複合資料防撞護舷的構造參數值為D=2.5mm、T=2mm。在該工況下,碰撞力6.63MN,遠小於碰撞力許用值15.82MN, 防撞護舷的變性能為總能量的85.53%,撞深為1.25m。顯現了圓環形複合資料具有較好的構造方式,能有效地維護橋梁和船舶的平安。複合資料防撞護舷的優化設計,為防撞護舷構造參數的合理選取提供了愈加快速、精確的辦法。