[發明專利]基于多目標優化和拓撲優化的集裝箱相似模型構建方法

在審

• 申請號: 201910510902.2
• 申請日: 2019-06-13
• 公開（公告）號: CN110309559A
• 公開（公告）日: 2019-10-08
• 發明（設計）人: 王德禹;劉佳琦;李春通
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 丁云

本發明涉及一種基于多目標優化和拓撲優化的集裝箱相似模型構建方法，該方法包括如下步驟：(1)構建集裝箱1:1有限元模型和縮尺比有限元模型；(2)確定尋優目標，包括靜力學特征和動力學特征；(3)獲取1:1有限元模型的靜力學特征和動力學特征參數；(4)基于Froude縮尺定理構建縮尺比有限元模型的尋優目標值；(5)對縮尺比有限元模型墻壁結構進行拓撲優化，獲取墻壁結構的形狀；(6)獲取縮尺比有限元模型的敏感設計參數；(7)對縮尺比有限元模型的敏感設計參數進行尋優直至尋優目標真值收斂至尋優目標值，優化確定的集裝箱縮尺比有限元模型即為集裝箱相似模型。與現有技術相比，本發明簡單、實用、有效，適用范圍廣。

技術領域

本發明涉及一種集裝箱相似模型構建方法，尤其是涉及一種基于多目標優化和拓撲優化的集裝箱相似模型構建方法。

背景技術

集裝箱化在貿易全球化中發揮了至關重要的作用，目前超大型集裝箱船一次運輸量超過兩萬箱。據估計，每年海上運輸過程中約有10,000個集裝箱丟失，這對航運業造成了巨大的經濟損失。目前，對于集裝箱結構強度的研究大部分是建立在有限元軟件數值計算的基礎上，但是對集裝箱海運過程中丟失的機理目前尚不明確。海運過程中，對高達幾十米的集裝箱堆垛進行實時測試不太現實，因此，在實驗室條件下對集裝箱結構強度進行試驗驗證是可行的方法，一方面可以驗證有限元數值模擬的準確性，另一方面還能得到結構最真實的力學行為，此外還可通過實驗直接觀察集裝箱的有效數據。較于其他結構物而言，集裝箱結構的尺度太大、造價過高，一般情況下不可能采用實際的集裝箱堆垛進行強度實驗，主要是對集裝箱按一定相似比建立集裝箱結構的相似模型，進行實驗研究。

模型試驗方法是研究集裝箱靜、動力學特性的各種方法中最切實可靠的一種。在實驗室條件下，構建大尺度結構相似模型的方法主要是基于相似理論來實現的。大比尺的相似模型可以與實際的結構形式上更為相似與準確，但是大比尺模型制作的成本更高，加載載荷大，模型的裝卸、測試都會有一定的困難，對試驗環境的要求也越高。小比尺相似模型則會導致模型尺寸過小，不利于加工制造，且尺寸越小，因焊接產生的殘余應力與初始變形對試驗結果的影響會越大，導致試驗結果的不準確。因此模型設計應在盡量做到與實際結構各方面保持相似的同時，還需要考慮模型的焊接制作的便利性、實驗加載平臺的限制等。

海運集裝箱結構是一種薄壁結構，它的尺度和厚度完全不在一個量級上面，以一個已生產建造的海運集裝箱結構為例，集裝箱總長約6.058m，高約2.591m，寬度為2.438m。但集裝箱上的一些關鍵區域的薄鋼板才只有2mm。按照一定縮尺比構建的試驗模型，在加工或者焊接時極易產生初始應力和初始變形，初始缺陷可能會成為影響其結構力學行為的一個重要因素。與大尺度的原型結構相比，初始缺陷影響系數的不一致就代表了初始條件的不一致，這一點是和相似第三定理相違背的。集裝箱1:1模型框架結構不是標準的型材制作，形狀并不規則。除了框架結構，其他部分主要是采用蒙皮式波紋板結構，這種結構在實驗室條件下很難制作。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種基于多目標優化和拓撲優化的集裝箱相似模型構建方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種基于多目標優化和拓撲優化的集裝箱相似模型構建方法，該方法包括如下步驟：

(1)構建集裝箱1:1有限元模型和縮尺比有限元模型；

(2)確定尋優目標，所述的尋優目標包括靜力學特征和動力學特征；

(3)對1:1有限元模型進行靜、動力學分析，獲取1:1有限元模型的靜力學特征和動力學特征參數；

(4)根據1:1有限元模型的靜力學特征和動力學特征參數，基于Froude縮尺定理構建縮尺比有限元模型的尋優目標值；

(5)對縮尺比有限元模型墻壁結構進行拓撲優化，獲取墻壁結構的形狀；