一种海洋结构物的一体化设计方法与流程

1.本发明属于海洋结构物领域，主要涉及一种海洋结构物的一体化设计方法。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.网箱、海洋平台等海洋结构物是发展海洋经济的重要装备和载体。目前，关于海洋结构物的设计多是采用传统的船舶设计流程和方法，基于单一性能进行设计，然后在下一个环节进行另一种性能的设计，而且设计中较少考虑多材料综合使用和多种工艺并用的情况，导致设计效率低，设计水平不高，材料种类单一，不能物尽其用，结构建造成本高昂。


技术实现要素：

4.针对上述所存在的问题，本发明提出了一种海洋结构物的一体化设计方法，综合了优化设计、计算流体力学、耐波学、流固耦合、材料力学、动力学、复合材料力学、疲劳可靠性、制造工艺学等学科知识，以钢铁、纤维增强复合材料为主要材料，进行多学科多目标的材料、结构、性能、制造一体化设计。
5.为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
6.本发明的第一个方面，提供了一种海洋结构物的一体化设计方法，包括：
7.建立海洋结构设计专家知识库，基于该知识库建立海洋结构物的概念设计模型，以复合材料和钢材为材料，对结构模型中复合材料区域和钢材区域进行区域分割处理，得到分割模型；
8.确定海洋结构物的应用海域的浪、流、风载荷的功率谱，换算得到结构所受的时域载荷，对所述分割模型进行拓扑优化，得到拓扑优化结果；
9.根据拓扑优化结果，建立海洋结构物的精细化模型，对复合材料区域和钢材区域进行精细化划分；
10.采用海洋结构物的精细化模型进行多工况仿真模拟；对仿真结果进行灵敏度分析，确定对性能影响大的敏感设计参数；
11.以所述敏感设计参数作为自变量，以成本、可制造工艺性、浮动稳定性作为约束条件，构建材料重量最小、强度刚度最大、水动力性最优、使用寿命最长的多目标函数，进行多目标优化计算，获得非劣解集；以强度最大和稳定性最好为条件来筛选出最终的参数结果；
12.采用结构物模型的水池实验，测试结构的变形和水动力性性能，对参数模型进行验证，判断是否满足设计要求，如果满足，则输出参数模型，进行生产建造；如果不满足，则对分割模型进行修改，重复后续步骤，直至满足设计要求。
13.本发明提供了一种综合考虑材料、结构、性能、制造的一体化设计方法，有效地解决了现有海洋结构物设计方法的学科交叉性低，作业流程长，设计数据传递不能闭环，优化
水平低，结构冗余大的问题。
14.本发明的第二个方面，提供了一种海洋结构物的一体化设计系统，包括：
15.分割模块，被配置为建立海洋结构设计专家知识库，基于该知识库建立海洋结构物的概念设计模型，以复合材料和钢材为材料，对结构模型中复合材料区域和钢材区域进行区域分割处理，得到分割模型；
16.优化模块，被配置为确定海洋结构物的应用海域的浪、流、风载荷的功率谱，换算得到结构所受的时域载荷，对所述分割模型进行拓扑优化，得到拓扑优化结果；
17.精细化划分模块，被配置为根据拓扑优化结果，建立海洋结构物的精细化模型，对复合材料区域和钢材区域进行精细化划分；
18.仿真模块，被配置为采用海洋结构物的精细化模型进行多工况仿真模拟；对仿真结果进行灵敏度分析，确定对性能影响大的敏感设计参数；
19.计算模块，被配置为以所述敏感设计参数作为自变量，以成本、可制造工艺性、浮动稳定性作为约束条件，构建材料重量最小、强度刚度最大、水动力性最优、使用寿命最长的多目标函数，进行多目标优化计算，获得非劣解集；以强度最大和稳定性最好为条件来筛选出最终的参数结果；
20.验证模块，被配置为采用结构物模型的水池实验，测试结构的变形和水动力性性能，对参数模型进行验证，判断是否满足设计要求，如果满足，则输出参数模型，进行生产建造；如果不满足，则对分割模型进行修改，重复后续步骤，直至满足设计要求。
21.本发明的第三个方面，提供了一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适用于由处理器加载并执行上述的海洋结构物的一体化设计方法。
22.本发明的有益效果在于：
23.(1)相比于传统的串联式设计流程，本发明可以实现多部门的并行设计和模块化设计，降低设计成本，提高工作效率。
24.(2)本发明的设计方法有利于纤维复合材料这种新材料在海洋装备中的应用，解决了传统海洋装备局限于钢铁材料的情况，提升海洋装备的防腐耐污效果。
25.(3)考虑了焊接残余应力、材料性能波动等对设计效果的影响，提高了海洋结构物服役过程中的可靠性。
26.(4)本技术的操作方法简单、效率高、具有普适性，易于规模化生产。
附图说明
27.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
28.图1为本发明的设计方法流程图。
具体实施方式
29.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
30.下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
31.实施例1
32.一种海洋结构物的一体化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
33.步骤s1、建立海洋结构设计专家知识库，基于该知识库建立海洋结构物的概念设计模型，以复合材料和钢材为材料，对结构模型中复合材料区域和钢材区域进行粗略的划分，两个区域的体积满足式(1)的关系：
[0034][0035]
式中，ec为复合材料的平均纵向弹性模量，es为钢材的弹性模量，v
ci
为第i个复合材料区域的体积，v
sj
为第j个钢材区域的体积，ωi为第i个复合材料区域的加权因子；
[0036]
该区域划分方法，相比于目前的方法，区域分割处理速度更快，而且考虑了两种材料的力学性能差异，提高了设计效率，减少设计成本；
[0037]
步骤s2、确定海洋结构物的应用海域的浪、流、风载荷的功率谱，通过传递函数，换算得到结构所受的时域载荷，使用拓扑优化技术对步骤s1中的结构粗划分后的模型进行优化，体积保留百分比为60％，刚度最大，得到拓扑优化的结果；
[0038]
步骤s3、根据拓扑优化的结果，建立海洋结构物的精细化模型，对复合材料区域和钢材区域进行精细化划分；
[0039]
步骤s4、使用步骤s3中的模型，进行流固耦合仿真、疲劳仿真、关键部位子结构拉压弯仿真等多工况仿真模拟；在仿真中考虑复合材料性能的分散性，使用威布尔(weibull)概率本构模型和失效准则；对仿真结果进行灵敏度分析，确定对性能影响大的敏感设计参数；
[0040]
步骤s5、以步骤s4中的敏感设计参数作为自变量，以成本、可制造工艺性、浮动稳定性作为约束条件，构建材料重量最小、强度刚度最大、水动力性最优、使用寿命最长的多目标函数，进行多目标优化计算，获得非劣解集；以强度最大和稳定性最好为条件来筛选出最终的参数结果；
[0041]
步骤s6、通过基于弗劳德(froude)相似定律缩比后的结构物模型的水池实验，测试结构的变形和水动力性性能，对步骤s5中最终得到的参数模型进行验证，判断是否满足设计要求，如果满足，则进行生产建造准备工作；如果不满足，则对步骤s2中的模型进行修改，重复后续步骤，直至满足设计要求；
[0042]
所述步骤s1中的加权因子ωi，增加了复合材料区域调节的自由度，为后续的多目标优化提供参数；
[0043]
所述步骤s4中的流固耦合仿真，最小网格尺寸为薄壳结构厚度的一半，以提高计算效率，同时保证一定的计算精度；
[0044]
所述步骤s4中的威布尔(weibull)概率本构模型和失效准则，材料的强度和失效应变来源于实验测试数据，考虑到初始工艺缺陷、材料批次不同等导致的实验结果波动性，在本构模型中把模量改为服从威布尔概率分布的函数，在失效准则中把失效应变改为服从
威布尔概率分布的函数。
[0045]
实施例2
[0046]
一种海洋结构物的一体化设计系统，包括：
[0047]
分割模块，被配置为建立海洋结构设计专家知识库，基于该知识库建立海洋结构物的概念设计模型，以复合材料和钢材为材料，对结构模型中复合材料区域和钢材区域进行区域分割处理，得到分割模型；
[0048]
优化模块，被配置为确定海洋结构物的应用海域的浪、流、风载荷的功率谱，换算得到结构所受的时域载荷，对所述分割模型进行拓扑优化，得到拓扑优化结果；
[0049]
精细化划分模块，被配置为根据拓扑优化结果，建立海洋结构物的精细化模型，对复合材料区域和钢材区域进行精细化划分；
[0050]
仿真模块，被配置为采用海洋结构物的精细化模型进行多工况仿真模拟；对仿真结果进行灵敏度分析，确定对性能影响大的敏感设计参数；
[0051]
计算模块，被配置为以所述敏感设计参数作为自变量，以成本、可制造工艺性、浮动稳定性作为约束条件，构建材料重量最小、强度刚度最大、水动力性最优、使用寿命最长的多目标函数，进行多目标优化计算，获得非劣解集；以强度最大和稳定性最好为条件来筛选出最终的参数结果；
[0052]
验证模块，被配置为采用结构物模型的水池实验，测试结构的变形和水动力性性能，对参数模型进行验证，判断是否满足设计要求，如果满足，则输出参数模型，进行生产建造；如果不满足，则对分割模型进行修改，重复后续步骤，直至满足设计要求。
[0053]
在一些实施方式中，两个区域的体积满足式(1)的关系：
[0054][0055]
式中，ec为复合材料的平均纵向弹性模量，es为钢材的弹性模量，v
ci
为第i个复合材料区域的体积，v
sj
为第j个钢材区域的体积，ωi为第i个复合材料区域的加权因子。
[0056]
在一些实施方式中，拓扑优化中，体积保留百分比为60％，刚度最大。
[0057]
在一些实施方式中，所述多工况仿真模拟包括：流固耦合仿真、疲劳仿真、关键部位子结构拉压弯仿真。
[0058]
在一些实施方式中，流固耦合仿真中，最小网格尺寸为薄壳结构厚度的一半。
[0059]
在一些实施方式中，仿真中，使用威布尔概率本构模型和失效准则。
[0060]
在一些实施方式中，在本构模型中把模量改为服从威布尔概率分布的函数，在失效准则中把失效应变改为服从威布尔概率分布的函数。
[0061]
在一些实施方式中，所述结构物模型的水池实验为基于弗劳德相似定律缩比后的结构物模型的水池实验。
[0062]
实施例3
[0063]
一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适用于由处理器加载并执行实施例1所述的海洋结构物的一体化设计方法。
[0064]
实施例4
[0065]
一种海洋结构物的一体化设计的控制器，所述控制器被配置为执行上述实施例1所述的海洋结构物的一体化设计方法的步骤，并基于所述方法所确定的运行的参数。
[0066]
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。