[发明专利]基于多目标优化和拓扑优化的集装箱相似模型构建方法

说明书

本发明涉及一种基于多目标优化和拓扑优化的集装箱相似模型构建方法，该方法包括如下步骤：(1)构建集装箱1:1有限元模型和缩尺比有限元模型；(2)确定寻优目标，包括静力学特征和动力学特征；(3)获取1:1有限元模型的静力学特征和动力学特征参数；(4)基于Froude缩尺定理构建缩尺比有限元模型的寻优目标值；(5)对缩尺比有限元模型墙壁结构进行拓扑优化，获取墙壁结构的形状；(6)获取缩尺比有限元模型的敏感设计参数；(7)对缩尺比有限元模型的敏感设计参数进行寻优直至寻优目标真值收敛至寻优目标值，优化确定的集装箱缩尺比有限元模型即为集装箱相似模型。与现有技术相比，本发明简单、实用、有效，适用范围广。

技术领域

本发明涉及一种集装箱相似模型构建方法，尤其是涉及一种基于多目标优化和拓扑优化的集装箱相似模型构建方法。

背景技术

集装箱化在贸易全球化中发挥了至关重要的作用，目前超大型集装箱船一次运输量超过两万箱。据估计，每年海上运输过程中约有10,000个集装箱丢失，这对航运业造成了巨大的经济损失。目前，对于集装箱结构强度的研究大部分是建立在有限元软件数值计算的基础上，但是对集装箱海运过程中丢失的机理目前尚不明确。海运过程中，对高达几十米的集装箱堆垛进行实时测试不太现实，因此，在实验室条件下对集装箱结构强度进行试验验证是可行的方法，一方面可以验证有限元数值模拟的准确性，另一方面还能得到结构最真实的力学行为，此外还可通过实验直接观察集装箱的有效数据。较于其他结构物而言，集装箱结构的尺度太大、造价过高，一般情况下不可能采用实际的集装箱堆垛进行强度实验，主要是对集装箱按一定相似比建立集装箱结构的相似模型，进行实验研究。

模型试验方法是研究集装箱静、动力学特性的各种方法中最切实可靠的一种。在实验室条件下，构建大尺度结构相似模型的方法主要是基于相似理论来实现的。大比尺的相似模型可以与实际的结构形式上更为相似与准确，但是大比尺模型制作的成本更高，加载载荷大，模型的装卸、测试都会有一定的困难，对试验环境的要求也越高。小比尺相似模型则会导致模型尺寸过小，不利于加工制造，且尺寸越小，因焊接产生的残余应力与初始变形对试验结果的影响会越大，导致试验结果的不准确。因此模型设计应在尽量做到与实际结构各方面保持相似的同时，还需要考虑模型的焊接制作的便利性、实验加载平台的限制等。

海运集装箱结构是一种薄壁结构，它的尺度和厚度完全不在一个量级上面，以一个已生产建造的海运集装箱结构为例，集装箱总长约6.058m，高约2.591m，宽度为2.438m。但集装箱上的一些关键区域的薄钢板才只有2mm。按照一定缩尺比构建的试验模型，在加工或者焊接时极易产生初始应力和初始变形，初始缺陷可能会成为影响其结构力学行为的一个重要因素。与大尺度的原型结构相比，初始缺陷影响系数的不一致就代表了初始条件的不一致，这一点是和相似第三定理相违背的。集装箱1:1模型框架结构不是标准的型材制作，形状并不规则。除了框架结构，其他部分主要是采用蒙皮式波纹板结构，这种结构在实验室条件下很难制作。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于多目标优化和拓扑优化的集装箱相似模型构建方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于多目标优化和拓扑优化的集装箱相似模型构建方法，该方法包括如下步骤：

(1)构建集装箱1:1有限元模型和缩尺比有限元模型；

(2)确定寻优目标，所述的寻优目标包括静力学特征和动力学特征；

(3)对1:1有限元模型进行静、动力学分析，获取1:1有限元模型的静力学特征和动力学特征参数；

(4)根据1:1有限元模型的静力学特征和动力学特征参数，基于Froude缩尺定理构建缩尺比有限元模型的寻优目标值；

(5)对缩尺比有限元模型墙壁结构进行拓扑优化，获取墙壁结构的形状；