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圆环形复合材料防撞护舷的结构优化设计
- 2019-07-31-
构造优化设计办法


构造优化评价指标

船桥碰撞碰撞力Fmax、护舷变形大小S和船舶吸收能量E或护舷吸收才能E*是护舷构造设计的直接表现。显然,Fmax越小越好;S则在保证Fmax的状况下,越小越好,这样既能够维护桥梁,又能够使护舷不用一经撞击就要改换,延长护舷运用寿命;E则越小越好或E*越大越好。但几者之间有耦合,因而,本文采用权重法,综合思索三者肯定防撞护舷的构造优化设计综合评价指标OB为:

min[OB=W1×Fmax+W2×E+W3×S]

其中,W1、W2、W3为权重,本文分别取为0.7、0.2 和0.1。


设计变量的灵活度剖析

1.正交实验计划

防撞护舷的消能才能遭到护舷板厚度、玻璃纤维芯柱直径以及内部消能板位置的影响,直接经过理论计算得到构造参量十分复杂,经过数值模仿会计算很屡次也难以肯定,影响设计效率。而经过正交实验来选取厚度参数、玻璃纤维芯柱直径参数和消能板位置参数,能够有效减少实验次数,进步设计效率。本文设定护舷板厚度和玻璃纤维芯柱直径取值相同,均以厚度参数表示。依据计算和消费实践状况,肯定正交实验为2因子3程度,如表2所示。


表2 正交实验计划各要素程度



依据实验因子个数和实验程度个数,选择正交表拟定实验计划,详细如表3所示,OB作为正交实验的评价指标。

2.灵活度剖析

依据表3的正交实验计划停止有限元数值模仿,将结果导出计算OB值,并将3个程度的均值极差填入表3。能够看到,厚度参数极差值简直是位置参数极差值的3倍,标明厚度参数对防撞护舷性能的灵活性,远高于位置参数的灵活性。


表3 正交实验计划及响应


若单以碰撞力Fmax、护舷变形大小S或船舶吸收能量E为正交计划的评价指标,依据模仿结果数据取得的极差结果如表4所示。


表4 极差剖析数据


显然,厚度参数极差值均大于位置参数极差值,再次标明了厚度参数对防撞护舷性能的灵活性高于位置参数。


基于Isigh平台对防撞护舷的构造优化设计

经过正交实验计算剖析结果能够看出,厚度参数和位置参数对防撞护舷的防撞效果有一定的影响。依据正交实验结果的望小准绳,可选取较好的位置参数Φ2000mm为构造的参数,而对厚度参数运用ANSYS/LS-DYNA与Isight 集成优化平台相分离的办法再次停止优化。优化流程如图5 所示。


图5 Isight优化流程图


设定厚度参数中玻璃纤维芯柱直径D、护舷内外板厚度T为优化设计变量,参数空间扩展为2mm≤D≤6mm, 2 m m ≤ T ≤ 6 m m ; 约束条件为船桥碰撞碰撞力Fmax≤15.82MN,防撞护舷的变形量S≤2500mm,以防止船穿透防撞护舷与桥墩相撞;评价指标OB为优化目的值。优化设计变量初始值选用4mm。

经过Isight优化平台对参数停止探究,应用梯度算法寻觅空间极值,能够取得变量与目的值三维空间散布图,如图6所示。


图6 参数-目的值优化三维空间散布图


从图6 中能够看出, 参数解为D = 2 . 5 m m , T=2mm。该工况下,船桥碰撞数值模仿的碰撞力曲线、能量曲线、撞击深度曲线及撞击后护舷变形见图7。


(左上)碰撞力曲线  (右上)能量曲线  (左下)撞击深度曲线  (右下)撞击后护舷变形图

图7 1000吨货轮撞击护舷

从图7能够看出,在碰撞接触变形大时,碰撞力为6.63MN,撞深1.25m,变形能与摩擦能占总能量90.94%,其中防撞护舷吸收的能量为6.50MJ,而船舶吸收的能量为0.22MJ。防撞护舷在整个碰撞过程中,经过本身变形吸收了大局部的能量(85.53%),起到了既维护船舶又维护桥梁的作用。OB为4.81,比正交实验取得的优化结果碰撞力降低了6.89%,综合评价指标降低了5.87%。


优化设计保证平安


经过计算与剖析,得到如下结论:

1.由于碰撞的强非线性特性,比例缩尺模型固然不能直接反映实践碰撞过程,但能够经过相同工况的缩尺模型实验与有限元计算结果比照,取得复合资料防撞护舷的单元类型、资料属性等的选择准绳,为取得相对准确的实践构造防撞护舷有限元模型提供根据。

2.经过正交实验法对防撞护舷的消能板厚度、芯柱直径及消能板位置等变量停止灵活度剖析,发现消能板位置的灵活度较低,能够在优化设计过程中不作为设计变量, 而取Φ2000mm为构造的参数,从而有效减少了优化过程中设计变量的个数及取值范围。

3.在正交实验法的根底上,经过ANSYS/LS-DYNA和Isight平台相分离的优化设计办法,取得圆环形复合资料防撞护舷的构造参数值为D=2.5mm、T=2mm。在该工况下,碰撞力6.63MN,远小于碰撞力许用值15.82MN, 防撞护舷的变性能为总能量的85.53%,撞深为1.25m。显现了圆环形复合资料具有较好的构造方式,能有效地维护桥梁和船舶的平安。复合资料防撞护舷的优化设计,为防撞护舷构造参数的合理选取提供了愈加快速、精确的办法。