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《结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009(CSMO-2009)论文集》2009年
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浮筏结构材料选型动力学优化设计研究

杨德庆  谢小龙  郭万涛  
【摘要】:金属材料在船舶与深海耐压结构中广泛使用,具有价格低、加工工艺简单等优点,但存在密度大、性能可设计性差及结构内阻尼较小等缺点。复合材料具有比强度和比刚度高,性能可设计与易于整体成形等优异性能,且密度比金属材料更小,阻尼损耗因子比金属材料大。随着动力机械设备功率大型化,复合材料在船舶结构减振降噪中应用前景越来越大。近年来随着材料设计与制造工艺水平的提高,复合材料在军用船舶领域得到一定应用,复合材料轴、复合材料基座和复合材料螺旋桨在国外相继投入使用,获得了更为良好的减振降噪效果。军用船舶是大型海上结构,其建造需要大量材料,如果完全采用价格远高于金属材料的复合材料制造,成本非常巨大,加工工艺目前也不现实。因此,现实的选择是对关键部件和关键结构模块采用复合材料制造。更进一步,即使是复合材料部件或复合材料结构模块,例如复合材料浮筏或机箱,也不一定完全采用复合材料进行制造,采用金属-复合材料组合形式进行制造,也可以获得较好的减振降噪效果,同时建造成本不会提高很多。这也是未来国内外船舶设计领域亟待探索的技术。金属-复合材料组合结构设计问题,本质上是材料选型优化设计问题,相应的结构静力学、结构动力学优化设计理论与方法还属于结构优化设计领域的前沿课题。该问题的研究,对于船舶声学设计中存在的隔声板类型选择与厚度尺寸确定、吸声材料选型及配置等也有重要指导意义。本文以某浮筏结构动力学设计问题为研究切入点,建立了以材料类型和所选材料结构厚度尺寸(或复合材料铺层数)为设计变量,以振级落差与结构强度为主要约束条件,金属-复合材料组合结构材料选型优化设计数学模型。这是离散连续混和设计变量优化问题,材料类型的变化将导致结构动力学分析中阻尼特性也呈现非连续特性,常规优化算法较难求解。对提出的两种材料选型结构动力学优化模型进行了比较,采用遗传算法初步求解。研究表明,金属-复合材料组合结构确实能够得到比全金属结构更优异的减振降噪性能。

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