[发明专利]一种基于拓扑优化的模块内部舾装轻量化方法

说明书

本发明公开了一种基于拓扑优化的模块内部舾装轻量化方法，包括以下步骤：首先根据舾装构件的实际尺寸建立三维实体建模，自动将其离散成有限个节点单元，并设置约束条件和施加载荷；然后建立拓扑优化的数学模型，对舾装构件中节点单元的相对密度进行反复迭代计算，寻找最小应变能C；最后输出优化后舾装构件的拓扑结构，并对其表面进行规整平滑处理。采用此方法从舾装构件的整体结构中去除冗余部分，得到拓扑结构，充分利用材料的力学性能，得到较为合理的结构布局。

技术领域

本发明专利涉及海洋石油平台模块内部舾装设计，尤其涉及一种模块内部舾装构件的轻量化方法。

背景技术

在恶劣的海洋环境中，油气开采平台的上部模块长期受到风载荷的侵蚀，因而对上部模块的整体强度有很高的要求。舾装是船舶制造工艺里的一种，分为分段舾装、船坞舾装和码头舾装。舾装构件在海洋油气平台的上部模块的占有量达60％-70％，它的轻量化优化对上部模块的设计、建造和投产使用有着深远的意义。舾装构件的结构优化有尺寸优化、形状优化和拓扑优化这三种方法。拓扑优化是以材料分布为优化对象，可以在均匀分布材料的设计空间中找到最佳的分布方案。拓扑优化相对于尺寸优化和形状优化，具有更多的设计自由度，能够保证良好的传力路径，提高结构性能和减小结构质量，因此更适用于舾装构件轻量化优化方法。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺陷，提供一种基于拓扑优化的模块内部舾装轻量化方法，此方法能够在舾装构件初始设计阶段保证良好的传力路径，为增强结构整体性能和减小结构质量提供保障。

本发明解决技术问题所采用的技术方案为：

本发明的一种基于拓扑优化的模块内部舾装轻量化方法，包括以下步骤：

步骤一、根据舾装构件的实际尺寸，并在有限元ANSYS软件中对舾装构件进行三维实体建模；

步骤二、根据舾装构件整体尺寸的大小情况，采用ANSYS软件自动将舾装构件的三维实体模型离散成有限个节点单元，将离散成有限个节点单元的舾装构件的三维实体模型整体作为有限元计算模型；

步骤三、对舾装构件的有限元计算模型设置固定约束条件以固定舾装构件位置；

步骤四、在舾装构件的有限元计算模型的上表面均布施加与环境载荷中风的动载荷等效的静载荷，所述的等效的静载荷通过以下公式计算得到：

式中，P_w为舾装构件的有限元计算模型单位面积上的等效静载荷；C_s为舾装构件的形状系数，C_h为舾装构件的高度系数；

步骤五、以舾装构件的有限元计算模型中节点单元的相对密度为设计变量，建立舾装构件的有限元计算模型的数学模型，表达式如下：

Subject:x＝(x₁,x₂,…,x_n)^T

式中，C为计算模型的应变能；x＝(x₁,x₂,…,x_n)为计算模型的设计变量，x₁,x₂,…,x_n为第1，2，…,n个计算模型中节点单元的相对密度，其中节点单元的初始相对密度为1；V为舾装构件的有限元计算模型的体积；V₁为舾装构件的有限元计算模型中节点单元相对密度小于1的材料体积；f为剩余材料的百分比；U_i为第i个节点单元重心的位移向量；K_i为第i个节点单元的刚度矩阵；E(x_i)进一步展开如下：