基于API规范的Spar硬舱壳体结构优化设计
航空航天结构的减重设计与优化研究
航空航天结构的减重设计与优化研究1. 引言航空航天结构的减重设计与优化研究是现代航空航天工程领域的重要研究方向。
随着科技的不断进步和工程设计的要求越来越高，减轻结构重量以提高飞行性能和降低能耗已成为设计优化的关键目标。
本文旨在综述当前航空航天结构减重设计与优化研究领域的最新进展，以及未来可能的发展方向。
2. 材料选择与性能评估在减轻飞行器结构重量方面，材料选择是一个关键决策。
不同材料具有不同的物理和力学特性，因此需要综合考虑材料强度、刚度、耐久性、成本和可加工性等因素。
目前，常用于航空航天结构中的材料包括金属合金、复合材料和新型高强度轻质材料等。
通过对这些材料进行性能评估和对比分析，可以选择最适合特定应用场景的材料。
3. 结构拓扑优化结构拓扑优化是一种常用于减轻飞行器结构重量的方法。
该方法通过对结构的拓扑形状进行优化，实现结构的最优化设计。
拓扑优化的基本原理是通过改变结构的形状，使得应力分布更加均匀，从而减轻结构重量。
拓扑优化方法包括基于有限元分析的形状优化、基于遗传算法的拓扑优化和基于人工智能算法的拓扑优化等。
这些方法在减轻飞行器结构重量方面取得了显著成果。
4. 板壳结构减重设计与优化板壳是航空航天工程中常见的结构形式，因其在飞行器中起到了重要作用，所以其减轻设计与优化也备受关注。
板壳结构减重设计与优化主要包括材料选择、板壳参数设计和加强策略等方面。
通过选择合适材料、合理设计板壳参数以及采用适当加强策略，可以实现板壳在保证强度和刚度要求下最小限度地减轻。
5. 梁柱结构减重设计与优化梁柱是航空航天工程中常见且关键的组成部分，在飞行器中起到了支撑和传力的作用。
梁柱结构减重设计与优化主要包括材料选择、梁柱参数设计和优化结构连接等方面。
通过选择适合的材料、合理设计梁柱参数以及优化结构连接方式，可以实现梁柱结构的减重，提高飞行器整体性能。
6. 多学科优化设计航空航天结构的减重设计与优化是一个多学科交叉的研究领域，涉及到力学、材料科学、数学和计算机科学等多个学科。
基于智能算法的航空器优化设计
基于智能算法的航空器优化设计随着科技的不断发展和人们对生活质量的不断追求，航空器的优化设计也逐渐成为了一个热门话题。
在过去，人们往往采用实验方法来完成航空器的设计和改进，但是这种方法存在显著的局限性，如成本高、时间长、信息不完整等。
现如今，随着智能算法的发展，航空器的优化设计也得到了极大的改善和提高，本文将从智能算法的原理、航空器的设计优化及其实际应用三个方面来给读者分享这一新兴领域。
一、智能算法的原理智能算法是什么？简单来说，它是通常使用的优化方法，它利用人工智能的技术去模拟并解决实际问题。
目前，常见的智能算法有神经网络算法、遗传算法、模拟退火算法等。
与传统的优化方法相比，智能算法能够在较短的时间内找到更优解，极大地提高了实际应用的效率和准确度。
下面我们来分析一下智能算法的一些优势：1.灵活性高智能算法有更高的灵活性，可以很好地处理各种各样的目标函数，而且不需要对输入数据进行任何假设。
2.适应性强智能算法可以连续地对目标函数进行优化，而且它的搜索过程可以随着问题复杂度的不断提高而不断加强。
3.可解释性强智能算法虽然是一种非常复杂的数学模型，但是它可以针对每一个决策，提供非常精准的解释。
二、航空器的设计优化拥有了智能算法的优势之后，我们可以将其应用到航空器的设计优化中去。
航空器的设计是一个非常复杂的领域，它涉及到工程学、物理学、材料学等多个学科的知识。
而且，航空器的设计包含着很多约束条件，例如重量、航程、机动性等，这些都需要考虑到。
因此，我们需要很好地规定好各种参数、限制等，以便精确地进行设计优化。
其中，智能算法的应用可以帮助我们解决几个主要问题，如下所示：1.数据处理机器学习技术可以很好地处理大量数据，能够从海量数据中提取出有用的信息，或者从收集到的数据中获取更多的数据。
2.针对多种目标设计优化常常会涉及到多个目标。
在这种情况下，智能算法的多目标优化技术可以让我们在不同目标之间做出权衡。
3.确定模型智能算法还可以帮助我们在决策建模阶段快速选择最佳模型，并使这些模型逐渐得到优化。
基于响应面法的SPS舱口盖结构多目标优化
基于响应面法的SPS 舱口盖结构多目标优化田阿利，魏震，张海燕，马清勇，姚鹏（江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江212000）摘要：本文以轻量化为前提，设计传统钢制板架舱口盖的钢聚氨酯夹层板（Steel-Polyurethane Sandwich plate ，SPS ）替代方案。
对不符合结构刚度、强度要求的初步方案，采用基于BBD （Box-Behnken Design ）设计的响应面法进行结构多目标优化设计，以结构变形和等效应力作为优化目标，结构尺寸及质量为约束条件，建立响应面模型，得到优化后的SPS 舱口盖设计方案；并采用有限元仿真方法，对优化前后的方案进行了仿真计算，对优化目标进行了详细对比，验证了优化的有效性和必要性。
对比结果表明：优化后的SPS 舱口盖结构，在减重9.28%的情况下，变形减少了36.7%，应力降低了30.5%；说明采用响应面法对SPS 舱口盖实现多目标优化可行，且优化效果明显。
关键词：SPS 舱口盖；响应面法；多目标优化中图分类号：U663文献标识码：Adoi:10.3969/j.issn.1007-7294.2021.04.013Multi-objective optimization of the SPS hatch cover based on response surface methodTIAN A-li ,WEI Zhen ,ZHANG Hai-yan ,MA Qing-yong ,YAO Peng(School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212000,China)Abstract:On the premise of light weight,an alternative scheme of steel-polyurethane sandwich plate (SPS)for traditional steel hatch cover is designed.The response surface method based on BBD design is used to op⁃timize the multi-objective structure design for the preliminary scheme that does not meet the requirements ofstructural stiffness and strength.With structural deformation and equivalent stress as the optimization objec⁃tive and structural size and quality as constraints,the response surface model is established and the opti⁃mized design scheme of SPS hatch cover is obtained,and the size and quality of the structure are optimized.The finite element method is used to simulate the structural scheme before and after optimization,and the op⁃timization results are compared,which verifies the effectiveness and necessity of the optimization.The results indicate that the structural deformation of SPS hatch cover decreased by 36.7%,and the stress reduced by 30.5%after optimization,and the mass of SPS hatch cover reduced by 9.28%compared with that of steel hatch cover.It is shown that the response surface methodology is feasible to achieve multi-objective optimiza⁃tion of SPS hatch cover,and has a significant optimization effect.Key words:SPS hatch cover;response surface method;multi-objective optimization第25卷第4期船舶力学Vol.25No.42021年4月Journal of Ship Mechanics Apr.2021文章编号：1007-7294（2021）04-0502-07收稿日期：2020-08-14基金项目：国家自然科学基金资助项目（51109101；51509115）；江苏省高校自然科学研究重大资助项目（17KJA580002）；江苏省船舶先进设计制造技术重点实验室开放研究基金项目（CJ1601）作者简介：田阿利（1980-），女，博士，副教授，E-mail:****************.cn；魏震（1993-），男，硕士研究生，E-mail:*******************。
基于聚四氟乙烯的水下航行器壳体优化设计
基于聚四氟乙烯的水下航行器壳体优化设计聚四氟乙烯（PTFE），又称为特氟龙，在工业界广泛应用于润滑剂、密封材料和电子器件中。
由于其卓越的耐腐蚀性、耐热性和低摩擦系数，PTFE也被用于水下航行器的壳体设计。
水下航行器是近年来发展起来的一种新型船舶，由于其能够在水下运行，可以承担多种任务，如水下勘探、油田水下作业和海底资源开发等。
而水下航行器的壳体材料是决定其性能和寿命的关键因素之一。
PTFE作为水下航行器的壳体材料，有着不可替代的优势。
其首要的优势是耐腐蚀，PTFE可以抵抗常见的腐蚀介质，如深海盐水、油脂等，从而提高水下航行器在恶劣环境下的使用寿命。
其次是低摩擦系数，PTFE作为一种高聚物材料，摩擦系数低，因此可以减少水下航行器在水下运行时的阻力，提高航行器速度和效率。
最后是耐热性，PTFE可以承受高温，可以用于水下航行器需要承受高温的部位，如引擎舱等。
除了上述优点外，PTFE在使用中还有一些需要注意的问题。
首先是PTFE无法粘接，表面必须经过特殊处理才可以与其他材料粘接。
其次是PTFE的成本较高，容易受到生产成本的影响。
对于PTFE壳体的优化设计，需要考虑到以下因素：航行器的航行速度、燃料效率、操控稳定性和最大深度等。
可以从以下方面入手：(1) 纤维增强：为保证PTFE壳体的牢固性和强度，可以将其加入纤维增强材料，如碳纤维等，以提高其强度和刚度。
这可以增加航行器的稳定性，同时也可以减轻航行器的重量。
(2) 面板设计：在壳体表面设计波浪纹理或其他表面形状，这种设计可以降低水下摩擦阻力，提高航行器的速度和燃油效率。
(3) 最大深度：为了满足水下航行器的使用要求，壳体需要能够承受一定的水压，因此需要对其厚度进行评估和优化。
同时还要注意到高压对PTFE的影响，它可能会引起PTFE自身性能的改变。
(4) 防腐蚀涂层：虽然PTFE本身具有耐腐蚀性，但是在长时间的使用过程中，也可能会因为龟裂或其他原因导致腐蚀。
Spar平台上部设施和设备总体布置
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本 文简 单叙述 了深 水 Ｓ ａ平 台的发展历 程 ，简要 介绍 了 Ｓ ａ 平 台的结构 组成及 平 台功能 。在此 ｐｒ ｐｒ
基础 上研 究 了平 台上部 设施 、设备 的布 置 ，轴线 间距 以及 硬舱 直径 的确定 等 。
１ Ｓ ａ 平 台概 述 ｐｒ
１１ Ｓ ａ 平 台的发展 历程 ． ｐｒ
根据 布置要 求 ，中层 甲板主 要布 置有 电气房 间 ，电站 。井 口区南 北两侧 布置 有管 汇 ，海 水 泵布 置
在井 槽东 侧 ，平 台西侧 布置 有干气 压缩 机 和湿 气压 缩机 。
在下 层 甲板 主要布 置各 种主 、辅助 工 艺 设备 。总布 置如 图 ４６所 示 。 －
间的距 离 。这样 四个轴 线 的位 置初 步确 定 了。两 个横 向轴 线 与两个 纵 向轴 线 的 ４个 交叉 点要坐 落在 硬 舱 的壁上 ，即 ４个 点在 硬舱 的 圆周 上，便 可 以初 步确 定 出硬 舱 的直径 。
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学 术 论 文
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收 稿 Ｈ期 ：２ １．５０ ；修 改稿 收 稿 日期 ：２ １．５３ ０ ２０ ．２ ０ ２０ ．０
５ ３卷
增刊 １
黄 冬 云 ，等 ： Ｓ ａ 平 台 １ 设 施 和 设 备 总 体 布 置 ｐｒ 二 部
一种具有储油功能的SPAR平台
一种具有储油功能的SPAR平台SPAR（Single Point Anchor Reservoir）平台是一种具有储油功能的海洋浮式平台，广泛用于海上油气生产。
它是一种多功能的浮式结构，集储油、生产、注水、电力供应等功能于一身。
SPAR平台是一种比传统海洋浮式生产平台更先进的技术，其独特的设计理念和结构使其在深海环境中可以更为稳定地运行。
SPAR平台的外部结构呈圆柱形，底部有一个球形浮体，在海洋中嵌入一根垂直的钢管，支撑着平台的上部结构，因此可以在风浪较大的海域稳定运行。
平台上方设有生产平台，用于连接油井和天然气井，进行油气生产作业；平台下方设有储油仓，用于储存产出的原油和天然气，以便后续的输送和加工处理。
SPAR平台的储油功能是其最重要的特点之一，通过将储油仓安置在平台下方，可以有效地减小平台的重心，提高平台的稳定性。
储油仓的设计采用双壳结构，内壳为贮存原油和天然气，外壳为防护层，用于防止泄漏和污染海洋环境。
储油仓还配备有管道系统、自控系统和泵站等设施，以确保输送和储存油气的安全和高效运行。
在油气生产作业中，产出的原油和天然气首先会经过处理装置进行初步处理，然后通过管道输送至储油仓，存储在储油仓内。
当天然气或原油需要输送至岸上或其他设施时，平台上的泵站将启动，将油气通过管道输送至目的地。
储油仓还可以根据需要进行搅拌、降温、分离等处理，以确保存储的油气质量。
除了储油功能，SPAR平台还具有其他重要功能，如电力供应、水处理、人员居住等。
平台上配备有发电机组、水处理装置、食堂、办公室、生活设施等设施，以满足人员在海上生产作业中的需求。
平台还配备有紧急救援设施、通信系统、监控系统等设施，以确保平台的安全运行。
总的来说，SPAR平台是一种先进的海洋浮式生产平台，具有储油功能、生产功能、供水功能等多种功能。
其独特的设计理念和结构使其在深海环境中可以更为稳定地运行，为海上油气勘探和生产提供了重要支持。
随着海上油气资源的开发利用不断扩大，SPAR平台将在未来发挥越来越重要的作用，成为海洋浮式生产平台的主流技术。
基于ANSYS的海洋平台结构优化设计全文
基于NSYS的海洋平台结构优化设计引言：海洋平台是石油钻探与生产所需的平台，主要分钻井平台和生产平台两大类。
平台与海底井口有立管相通，最早生现的平台是导管架平台，由若干根导管组合成而。
先把导管架拖运到海上安装就位，然后顺着导管打桩，最后在桩与导管之间的环形空隙里灌入水泥浆，使导管固定于海底。
平台设于导管架的顶部。
导管架平台的整体结构刚性大，适用于各种土质，是目前最主要的固定式平台。
由于海洋平台工作环境是在近海海面上，受到风浪等载荷作用，因此对其安全性和可靠性的分析和评价是确保其在服役年限内正常使用的重要环节。
1海洋石油平台结构特点海洋石油平台是高由海面的一种海洋工程结构，按结构类型可分为固定式平台和移动式平台。
固定式平台又可以分为导管架型、塔型和重力型等各种结构形式。
移动式平台则包括自升式、半潜式，浮船式和张力腿式等结构形式。
海洋平台是海洋资源开发的基础设施，是海上作业和生活的基地。
在复杂和恶劣环境条件下，环境腐蚀、材料老化、构件缺陷和机械损伤以及疲劳损伤积存等不利因素都将导致整体抗力的衰减、影响结构的服役安全度和耐久性。
合理地建立海洋环境载荷模型、系统地研究海洋平台结构可靠度，揭示海洋平台结构体系优化的理论和方法提高基于可靠度的海洋平台结构优化设计到一个新的水平、从而为海洋资源的安全开采提供科学可靠的保证。
2海洋平台仿真建模导管架平台由上层平台结构和下部导管架结构组成，导管架底端通过桩基础固定。
上层平台包括支撑框架和甲板，主要提供生产和生活的场地，其外形为矩形。
下部导管由一系列钢管焊接而成，主体是六根主导管，其间用细管件作为撑杆，组成空间塔架结构，桩基础通过主导管插入海底土层。
整个模型采纳三种单元类型：PIPE16,BEM4,SHELL63。
下部导管架和上部甲板框架的主要竖向支撑构件采纳PIPE16单元，甲板平面的框架梁采纳BEM4单元，水平甲板采纳SHELL63单元。
整个模型采纳同一种钢材，弹性模量EX=2e11P,泊松比PRXY=0.3,密度DENS=7800kg/m3。
航空航天工程中的结构优化设计方法
航空航天工程中的结构优化设计方法航空航天工程是一个高风险、高挑战的领域，对结构的重量、强度和稳定性等性能指标有着苛刻的要求。
在设计航空航天器的结构时，优化设计方法可以发挥重要作用，帮助工程师在保证结构安全可靠的前提下，实现结构的轻量化和性能的最优化。
优化设计方法在航空航天工程中的应用非常广泛，从材料的选择到细节的设计，都可以使用优化方法来辅助决策。
以下将介绍几种常用的航空航天工程中的结构优化设计方法。
1. 拉格朗日乘子法拉格朗日乘子法是一种常用的数学优化方法，常用于处理约束优化问题。
在航空航天工程中，拉格朗日乘子法可以用于优化多目标问题，帮助工程师在多种设计要求之间寻找合适的平衡点。
例如，在设计载荷、结构轻量化和降低振动等方面存在矛盾的情况下，拉格朗日乘子法可以帮助工程师找到最佳解决方案。
2. 拉丁超立方抽样法拉丁超立方抽样法是一种统计学中常用的设计试验方法，可以在有限的试验次数中获得尽可能全面的试验数据。
在航空航天工程中，结构的优化设计通常需要进行大量的数值仿真与试验验证。
通过拉丁超立方抽样法，可以在较小的试验次数中尽可能探索设计空间，寻找最佳的结构设计方案。
3. 进化算法进化算法是一类模仿生物进化过程的优化算法，如遗传算法、粒子群优化算法等。
在航空航天工程中，进化算法可以用于结构拓扑优化、参数优化等方面。
例如，在飞机机翼的拓扑优化设计中，进化算法可以通过迭代搜索，找到最佳的结构布局方案，以实现最佳的性能指标。
4. 响应面模型响应面模型是一种根据实验数据拟合的数学模型，用于预测设计变量与目标函数之间的关系。
在航空航天工程中，由于结构优化设计的数值仿真与试验成本较高，使用响应面模型可以较大程度地减少实验次数，通过快速的模型预测，进行优化设计。
这在结构参数优化、材料设计等方面具有重要意义。
5. 多目标优化航空航天工程中的结构优化设计通常涉及到多个目标，如轻量化、强度、稳定性等。
多目标优化方法可以帮助工程师在不同目标之间寻找最佳的平衡点，以实现多方面的性能要求。
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目前 ， 国内对 Ｓ ａ 平 台的研 究 主要 集 中于平 台动力 响应 、 ｐｒ 垂荡 板和 侧板
的设 计 、 系泊 系统 、 关键 节点疲 劳分 析等 方面 ， 而对 平 台结 构优 化设计
探讨 较少 。本 文将 以两 层 甲板 间 的壳 体 结构 为 研究 对 象 ， 讨 Ｓ ａ 平 探 ｐｒ
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收 稿 日期 ：２ ０ — ９２ ； 修 改稿 收 到 日期 ：２ １ — ２２ ０ ９０ — ８ ０ ００ —６
图 １ Ｓ ａ 硬 舱 壳 体 结 构 示 意 图 ｐｒ
（ 直径剖切 ） 沿
基 金 项 目 ：上海 市 科 学 技 术 委 员会 重大 基 础 课 题 资 助项 目（ ５ Ｊ ４ ０ ） ０ Ｄ １ ０ １
（ 如图 １所示 ） 甲板 结构 径 向支撑 硬 舱壳 体 ， 者 直接 承 受轴 向和径 向 ， 后
的外界 载荷 。
硬 舱壳体 的结 构尺 寸 、 置 型 式决 定 着 Ｓ ａ 平 台 的整 体 结 构 强度 布 ｐｒ
和稳 定 性 。各 层 甲 板 间 的 壳 体 结 构 型 式 基 本 类 似 ， 进 行 模 块 设 计 。 可
谢 仲 安 ， 姜 哲
（ 海 交通 大学 ， 海 ２０ ４ ） 上 上 ０ ２ ０
摘 要 ：根 据 ＡＰ 规 范编 写 设 计 程 序 ， 出 Ｓ ａ 硬 舱 壳体 结 构 的优 化 模 型 ， 用 第 二 代 非 支 配排 序 遗 传 Ｉ 提 ｐｒ 采 算 法 ＮＳ Ａ— 对 Ｓ ａ 硬 舱 壳体 结 构 进 行 优 化 设 计 。 通过 设 计 实例 证 明 ， Ｇ Ｉ Ｉ ｐｒ 该优 化设 计 方 法 的优 化 结果 以及 收 敛 性 都 比较 理 想 ， 原 始 方 案 相 比 ， 化 设 计 方 案 显 著 降 低 结 构 自重 。 文 章 最后 提 出 的 建 议 ， 作 为 今 后 实 际 设 与 优 可
作 者 简 介 ：谢 仲 安 （ ９ ５ ） 男 ， 士研 究 生 ， １８一 ， 硕 主要 从 事 海 洋 工 程结 构 设 计 研 究 。
０ 前 言
Ｓ ａ 平 台 主 要 由 顶 部 模 块 、 体 结 构 、 泊 系 统 和 立 管 系 统 等 组 ｐｒ 主 系
成 。其 中 ， 主体 结构 可分 为硬 舱 和软 舱 （ ｕ ｓＳ ａ 还 包 括桁 架 结 构和 Ｔｒ ｓ ｐ ｒ
垂 荡 板 ） 占 主 体 结 构 绝 大 部 分 的 硬 舱 ， 可 分 为 甲板 结 构 和 硬 舱 壳 体 。 又
计 工作 的参 考 。
关 键 词 ：Ｓ ａ 硬 舱 壳体 结 构 ； Ｐ 规 范 ； Ｇ Ｉ； 化 设 计 ｐｒ Ａ Ｉ ＮＳ Ａ— 优 Ｉ
中 图 分 类 号 ： Ｐ７ ２ ５ 文 献 标 识 码 ：Ａ
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第 ２ 卷 第 ３期 ５
２１ ０ ０年 ６月
中 国 海 洋 平 台
ＣＨ Ｉ ＮＡ ＦＦＳＨ ＯＲ Ｅ ＰＬＡ ＴＦＯ ＲＭ Ｏ
Ｖｏ号 ： ０ — ５ ０ ２ １ ） ３ ０ ３ ５ １ ０１４ ０ （ Ｏ ０ ０ ０ ６０
基 于 ＡＰ 规 范 的 Ｓ ａ 硬 舱 壳 体 结 构 优 化 设 计 Ｉ ｐｒ