基于拓扑优化的水下航行器壳体设计.pdf

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1、基于拓扑优化的水下航行器壳体设计潘光，刘敏，曹永辉，李海志，提福江(西北工业大学航海学院，陕西西安710072)UnderwaterAircraftShellDesignBasedonTopologyOptimizationPANGuang，LIUMin，CAOYong—hui，LIHai—zhi，TIFu—jiang(SchoolofMarineEngineering．NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an710072，China)摘要：为了能够有效地降低水下航行器耐压壳尽量减少重量，重量的减小可以提高有效载荷，这对体的重量，以

2、耐压壳体的概念设计为研究内容，使用大深度潜水器来说是十分重要的。ANSYS二次开发语言，对壳体进行了基于渐进结拓扑优化是结构优化设计中的一类方法。与传构法的拓扑优化方案，并对各方案作以比较，最终形统设计不同的是拓扑优化技术不需要人工定义优化成了拓扑优化后的耐压壳体设计方案。优化结果表参数，而是自动将材料分布当作优化参数，在给定材明，其结构型式十分新颖，值得深入地探讨。料品质和设计域内，通过优化设计方法，可得到既满关键词：拓扑优化；壳体；渐进结构法足约束条件又使目标函数最优的结构布局形式及构中图分类号：TM344．1件尺寸。它是将寻求结构的最优拓扑问题，转化为文献标识码：A在

3、给定的设计区域内寻求最优材料的分布问题。文章编号：1001—2257(2013)05—0016一O41基本方法Abstract：Inordertobeabletoreducetheun—derwatervehiclepressureshellweighteffectively，拓扑优化常见的方法有均匀化法、变厚度法、变inviewoftheconceptualdesignofthepressure密度法及渐进结构优化法等。hullastheresearchcontent，theuseofANSYS渐进结构优化(ESO)方法通过逐步删除固定网secondarydevelopm

4、entlanguage，forshellbasedon格划分结构上的无效或低效的单元，使结构逐渐趋theevolutionarystructuraltopologyoptimization于最优化。在优化迭代过程中，使用逐步增加的删solutionmethod，andthesolutionincomparison，fi—除率或逐步减小的添加率，有效地控制删除单元和nallyformedafterthetopologicaloptimizationof增加单元的数量，使迭代步之间的结构变化很小，从pressurehulldesign，optimizationresultssh

5、owthat而实现从初始设计结构不断演化、进化到最优结构。thestructurepatternisverynovel，isworthyfur—ESO方法在优化过程中，不产生0～1之间的中间密度，拓扑形式清晰，具有良好的工程应用性_1]。therstudy．Keywords：topologyoptimization；thepressureVonMises应力准则认为结构中应力低的部分是没得到充分利用的，可以从结构中删除，从而使剩hull；ESO余部分的应力接近于同一应力水平。结构潜在的失效形式通常是过大的应力或应变，相反，结构中的低0引言效材料则是低应力或低应变部分。理想的

6、情况是结耐压壳体是大深度潜水器的主要承力结构，需构中各部分的应力处于同一应力水平。因此，结构的优化准则是基于局部应力水平的，也就是说低应要承受非常高的静水压力，它的重量几乎占据了整个潜水器重量的1／4到1／2，所以大深度潜水器耐力部分的材料被认为是没有充分利用的，故可从结压壳体的设计直接影响潜水器的有效载荷。通过拓构中删除。每个单元的应力水平是通过该单元的VonMises应力与结构的最大应力的比较来决定扑优化，可以在保证耐压壳体安全性要求的基础上的。将单元的VonMises应力与整个结构的最收稿日期：2012—11一l4大VonMises应力进行比较，便可确定每个单·16·

7、《机械与电子》2O13(5)元的相对应力水平。对于各向同性材料，基于第四大，尤其是当其位于重要结构部位(如连接部)时，会强度理论的VonMises应力一直是最常用的准则使结构变得畸形而不稳定，余下结构的应力陡然增之一。大，有时甚至使原结构断开而遭到破坏。产生该问在每次迭代结构分析后，从模型中删除满足下题的主要原因是随着删除过程的进行，各部分的应列条件的所有单元：。力变化是非线性的，而删除率是线性递增的，并不能wn随着当前情况作出适应性调整，造成删除率可能过