CH7-1-20140409優(yōu)化設計

1、第第 7 7 章章 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計目標：安全、環(huán)保、節(jié)能減排目標：安全、環(huán)保、節(jié)能減排 優(yōu)化設計的作用：優(yōu)化設計的作用：整體優(yōu)化整體優(yōu)化 減輕重量減輕重量局部優(yōu)化局部優(yōu)化 減小應力集中，改善疲勞特性減小應力集中，改善疲勞特性 優(yōu)化目標優(yōu)化目標 限制條件限制條件 有待優(yōu)化參數(shù)有待優(yōu)化參數(shù) 目標函數(shù)目標函數(shù) 約束條件約束條件 設計變量設計變量 Objective Function Constraint Design VariablesObjective Function Constraint Design Variables7.1 7.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的數(shù)學模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的數(shù)學模型 通

2、常，結(jié)構(gòu)形式選定后，對結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、外形參數(shù)優(yōu)化。通常，結(jié)構(gòu)形式選定后，對結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、外形參數(shù)優(yōu)化。123( ,.,),nXx x xx123(, . ,),mYyyyy12(,.,),1,2,3,.,ijnyx xxjm 1) 1) 設計變量設計變量尺寸尺寸( (板厚、間距等）板厚、間距等） 應力、變形，等應力、變形，等 狀態(tài)變量狀態(tài)變量狀態(tài)變量與設計變量的關(guān)系狀態(tài)變量與設計變量的關(guān)系2)2)約束條件約束條件 狀態(tài)約束：如最大工作應力狀態(tài)約束：如最大工作應力許用應力許用應力 限界約束：對設計變量變化范圍的約束，如最小允許板厚。限界約束：對設計變量變化范圍的約束，如最小允許板厚。 如如: :

3、 0 表示為：表示為： jkg (X)0, j= 1,2,.,Jl (X)=0, =1,2,.,3) 3) 目標函數(shù)目標函數(shù) 將設計追求的目標解析化、數(shù)量化，用函數(shù)表示，叫將設計追求的目標解析化、數(shù)量化，用函數(shù)表示，叫目標函數(shù)目標函數(shù) 。()f X可以是重量、成本、可靠度或使用效能等?？梢允侵亓?、成本、可靠度或使用效能等。4) 4) 數(shù)學表達式數(shù)學表達式選擇選擇123( ,.,),nXx x xx模型模型 1 1 滿足：滿足： ()0,1,2,.,()0,jkgXjJlX 使用目標函數(shù)使用目標函數(shù)min(max)min(max)()f X例例: : 122212111222121122( ,)

4、min()44()20()10()0()0Xx xf Xxxxsubject tog XxxgXxxl XxlXx 模型模型2 2 Subject toSubject to ()0,1,2,.,()0,jkgXjJlX ()f XnXR，（多種方案）（多種方案）min7.2.7.2.船舶優(yōu)化設計的特點船舶優(yōu)化設計的特點1) 1) 離散度量情況離散度量情況a a、連續(xù)變量、連續(xù)變量 圓整圓整 規(guī)格化規(guī)格化b b、直接取離散值。、直接取離散值。100, , .fIt2 2）變量組合或鏈接）變量組合或鏈接 型號型號（一組參數(shù)）（一組參數(shù)）3) 3) 變量變換變量變換: :1iiyx5)5)靈敏度分析

5、：靈敏度分析： 目標函數(shù)和約束函數(shù)關(guān)于設計變量變化的梯度。目標函數(shù)和約束函數(shù)關(guān)于設計變量變化的梯度。 某一設計變量組某一設計變量組: : ( )12(,.,)inXx xx( ) iXX ()()f Xg X變化率變化率4)4)分級優(yōu)化：分級優(yōu)化： iiitf船舶結(jié)構(gòu)復雜系統(tǒng)：船舶結(jié)構(gòu)復雜系統(tǒng)： 總體相當板厚總體相當板厚 局部板材、骨材局部板材、骨材7.3.1 7.3.1 軍規(guī)條文軍規(guī)條文 約束條件約束條件11212312340.380.460.560.56ssss1swMMW1 1）正應力）正應力 2 2）剪力條件）剪力條件 0.25s7.3 7.3 艦船舯剖面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計艦船舯剖面結(jié)構(gòu)的

6、優(yōu)化設計約束：軍規(guī)。約束：軍規(guī)。 變量：剖面尺寸。變量：剖面尺寸。 目標：重量輕。目標：重量輕。3) 3) 極限強度條件極限強度條件 2.61.5uswuswDMMMMMMM4) 4) 穩(wěn)定性：穩(wěn)定性： 骨材骨材 E(2crus或歐拉應力）/crs/Es7.3.2 7.3.2 數(shù)學模型數(shù)學模型分二級優(yōu)化分二級優(yōu)化1 1）一級優(yōu)化）一級優(yōu)化 中剖面材料的優(yōu)化布置中剖面材料的優(yōu)化布置 設計變量：基準相當板厚設計變量：基準相當板厚i各列板各列板 ( )( )iiikki: i: 板架編號（甲板，舷側(cè)板，底板架）板架編號（甲板，舷側(cè)板，底板架） i=1,2,3, .i=1,2,3, .k k：板列：板

7、列 i=1,2i=1,2，., K., K( )ik各個列板厚度的比例系數(shù)，可由母型船或統(tǒng)計值給出。各個列板厚度的比例系數(shù)，可由母型船或統(tǒng)計值給出。 約束條件：約束條件：1max12(1)3(1)40.38000.25002.6()001.5()00ssusswusswdggWMMgWMMMg (1)uusMW這里取這里取目標函數(shù)：目標函數(shù)：剖面積剖面積 011( )( )nKiiiikFFB kk0:F已確定的構(gòu)件截面積已確定的構(gòu)件截面積( (縱桁等大構(gòu)件縱桁等大構(gòu)件) )。( ):iB k列板寬列板寬 ( )( )iiikk列板厚：列板厚： 板列材料的合理分配（對各列板分別優(yōu)化），確定縱骨

8、材板列材料的合理分配（對各列板分別優(yōu)化），確定縱骨材料比例、縱骨尺寸、間距）料比例、縱骨尺寸、間距）。( )if k( )ik 設計變量：設計變量：縱骨截面積縱骨截面積 （板列上）板列上）( )ib k0( )itk縱骨間距縱骨間距板列厚度板列厚度關(guān)系式：關(guān)系式： 0( )( )( )( )iiiif ktkkb k2) 2) 二級優(yōu)化二級優(yōu)化( ( 、板列寬已知）、板列寬已知） ( )ik( )ik0( )itk約束條件約束條件: : （a a）縱骨穩(wěn)定性）縱骨穩(wěn)定性225()20EEHsEIabtfg （b b）合成應力）合成應力(2)6(3)7(4)8(4)12340.46000.56000.5600=+SiSiSiiggg 注：（c c）最小允許板厚）最小允許板厚,min9,min00=max30iiittgLt 如：外板（+2）,4（d d）縱骨間距（工藝）縱骨間距（工藝） ,min1000iibbg （e e）最小剖面模數(shù)（不小于第一次近似）最小剖面模數(shù)（不小于第一次近似）(2)(1)1100uuWWg 極限狀態(tài)，計及板厚折減極限狀態(tài)，計及板厚折減 目標函數(shù)目標函數(shù)： 11min( ) ( )nKiiikFt k b