一种基于多目标优化的绑扎桥相似畸变模型构建方法技术

本发明专利技术涉及一种基于多目标优化的绑扎桥相似畸变模型构建方法，该方法包括如下步骤：(1)构建绑扎桥1:1有限元模型，确定寻优目标，所述的寻优目标包括静力学目标和动力学目标；(2)获取绑扎桥1:1有限元模型中寻优目标所对应的目标值；(3)对绑扎桥1:1有限元模型进行简化获取结构等效有限元模型；(4)对结构等效有限元模型的设计参数进行寻优直至寻优目标真值收敛至目标值；(5)基于结构等效有限元模型构建缩尺比有限元模型；(6)对缩尺比有限元模型的设计参数进行寻优直至寻优目标真值收敛至目标值，优化确定的缩尺比有限元模型即为绑扎桥相似畸变模型。与现有技术相比，本发明专利技术模型精度更高，误差更小，构建速度快。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多目标优化的绑扎桥相似畸变模型构建方法
本专利技术涉及一种绑扎桥相似畸变模型构建方法，尤其是涉及一种基于多目标优化的绑扎桥相似畸变模型构建方法。
技术介绍
对于大型和超大型集装箱船，甲板上堆放的集装箱数已超过总集装箱数的50％，堆放的集装箱层数也越来越多，因此甲板上集装箱需要绑扎桥的绑扎固定。绑扎桥由方形管道或组合式绑扎柱和上下平台组成，紧紧地固定甲板或舱口盖上的货物集装箱的位置。绑扎桥设计是大型集装箱船的关键技术之一。这不仅关系到集装箱的实际数量和集装箱摆放的灵活性，还影响到船舶主要尺寸和总体布局的确定。随着计算机仿真和优化技术的出现和深入应用，人们发现CAE技术和优化技术可以揭示人类经验知识无法揭示的工程过程。因此CAE分析是绑扎桥设计过程中不可或缺的一个重要环节。对于绑扎桥结构强度的研究现在大部分是建立在有限元软件数值计算的基础上，但是对于最新设计的结构形式，需要对绑扎桥结构强度进行试验验证，一方面可以验证数值结果的准确性，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绑扎桥结构的有效数据。但是迄今为止，对绑扎桥的实验研究的开展几乎没有。较于其他结构物而言，绑扎桥结构的尺度太大、造价过高，一般情况下不可能进行实船绑扎桥强度实验，主要是对绑扎桥按一定相似比建立绑扎桥结构的相似模型，进行实验研究。模型修正方法主要分为两类：一类是修正结构的计算模型，即矩阵型修正方法；另一类是直接修正结构的设计参数。有限元模型的修正以试验测试的响应量作为目标，通过改变设计变量参数的大小，将目标函数最小化，从而达到缩小仿真分析和试验测试之间的差距。现有的有限元相似模型构建和修正的方法主要包括：基于静力学、基于动力学和联合静动力学修正的方法。在有限元模型修正中，应用更多的是基于应变为目标函数的修正方法，应变能够反应结构局部特征的响应，而且便于测量。有限元模型修正过程中非常重要的一步是构造误差，但是绑扎桥测点较多，对整个模型的修正变得比较复杂。同时基于动力学的模型修正目标是频率和振型，在联合运用静动力测试数据进行有限元模型方面，主要的问题还是目前研究较少，可运用的方法不多，存在着以下几个共同的问题：1)参数选择和参数范围的确定；2)缺少更加实用有效的算法；3)软件实现问题；4)模型简化方法和计算方法存在个人主观判断上的局限性、本构关系和本构参数等问题，简化得到的有限元模型往往无法全面的描述原有结构的动态特性。超大型集装箱船绑扎桥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，以一条已经通过验审的20000TEU集装箱船绑扎桥结构为例，绑扎桥总长约58.325m，高约13.871m，宽度为1.250m。但绑扎桥上有的关键区域薄钢板才6mm。若采取20:1，则那么模型的最薄厚度才0.3mm，它比已知生产的最小船用钢板厚度还要小，这显然是不符合现实情况的。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。但是从相似理论的基本原则来说，将其运用到绑扎桥这一钢架薄壁结构中来还是存在一定的缺陷。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。如何解决薄壁结构的相似准则曾一直是困扰学者的一类问题，后有学者提出畸变模型的概念。所谓畸变，就是模型与原型之间由于某种原因而无法做到全相似。鉴于绑扎桥结构的特殊性，绑扎桥试验的必须基于相似畸变模型，因此本专利技术基于patran软件的二次开发，基于matlab软件开发了一种基于多目标优化和联合静动力学的绑扎桥相似畸变模型的构建方法。
技术实现思路
本专利技术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的绑扎桥相似畸变模型构建方法。本专利技术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的绑扎桥相似畸变模型构建方法，该方法包括如下步骤：(1)构建绑扎桥1:1有限元模型，确定寻优目标，所述的寻优目标包括静力学目标和动力学目标；(2)获取绑扎桥1:1有限元模型中寻优目标所对应的目标值；(3)对绑扎桥1:1有限元模型进行简化获取结构等效有限元模型；(4)对结构等效有限元模型的设计参数进行寻优直至结构等效有限元模型中寻优目标真值收敛至目标值；(5)根据给定缩尺比，基于结构等效有限元模型构建缩尺比有限元模型；(6)对缩尺比有限元模型的设计参数进行寻优直至缩尺比有限元模型中寻优目标真值收敛至目标值，优化确定的缩尺比有限元模型即为绑扎桥相似畸变模型。所述的静力学目标包括绑扎桥绑扎点的应变、绑扎桥整体结构最大位移以及绑扎桥整体结构平均刚度。所述的动力学目标包括绑扎桥绑扎点的模态频率及振型。所述的绑扎桥整体结构最大位移变形包括：绑扎桥总体结构最大位移点的总位移变形；绑扎桥总体结构最大位移点的X方向位移：绑扎桥长度方向的位移；绑扎桥总体结构最大位移点的Y方向位移：绑扎桥宽度方向的位移。所述的绑扎桥整体结构平均刚度为：其中，KBY为绑扎桥整体结构平均刚度，FYi为第i个绑扎点y方向的分力，δYi为第i个绑扎点y方向的应变，N表示总绑扎点的个数。动力学目标中的绑扎桥绑扎点的模态频率及振型包括前5阶模态频率和振型。步骤(5)中以相似理论为基础构建缩尺比有限元模型，所述的相似理论包括：力学相似、材料相似、荷载相似、物理相似。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：(1)本专利技术绑扎桥相似畸变模型构建方法联合静力学目标和动力学目标进行多目标优化，可以实现全局域最优参数的搜寻，不受参数区间大小的限制，从而精度更高，误差更小，因此可以在较短的时间内寻找一个比较精确结果，准确的绑扎桥相似畸变模型有利于后续的模型试验，有利于绑扎桥的静动力学数值模拟和结构优化，结构的健康监测或结构响应预示等工作；(2)本专利技术方法结构利用等效有限元模型进行过渡优化，简化了相似似畸变模型构建的难度，提高模型构建速度；(3)本专利技术绑扎桥相似畸变模型构建方法也可以适用于其他类型结构的静力学修正、动力学修正或联合静动力学修正，具有很好的适用性，同时能够保证很好的修正效率和精度；(4)本专利技术绑扎桥相似畸变模型构建过程基于Patran、isight和matlab软件的自主开发的程序，克服了联合静动力有限元模型修正方法不易于在通用有限元软件平台上进行开发的不足，也克服了不同软件之间数据交流困难的问题，方便实现有限元分析和优化的迭代计算，自动运算的程度提高，节省了大量的计算时间提高了有限元模型修正的效率，可以为以后复杂的绑扎桥有限元模型的修正技术的发展提供经验和参考。附图说明图1为本专利技术基于多目标优化的绑扎桥相似畸变模型构建方法的流程框图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本专利技术并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本专利技术并不限定于以下的实施方式。实施例如图1所示，一种基于多目标优化的绑扎桥相似畸变模型构建方法，该方法包括如下步骤：步骤1：构建绑扎桥1:1有限元模型，确定寻优目标，寻优目标包括静力学目标和动力学目标。具体地：根据绑扎桥的结构特征参数，在Patran软件中构建原型的有限元模型，有限元模型构建过程中主要采用板单元和梁单元相结合的方式，网格大小按照C本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多目标优化的绑扎桥相似畸变模型构建方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)构建绑扎桥1:1有限元模型，确定寻优目标，所述的寻优目标包括静力学目标和动力学目标；(2)获取绑扎桥1:1有限元模型中寻优目标所对应的目标值；(3)对绑扎桥1:1有限元模型进行简化获取结构等效有限元模型；(4)对结构等效有限元模型的设计参数进行寻优直至结构等效有限元模型中寻优目标真值收敛至目标值；(5)根据给定缩尺比，基于结构等效有限元模型构建缩尺比有限元模型；(6)对缩尺比有限元模型的设计参数进行寻优直至缩尺比有限元模型中寻优目标真值收敛至目标值，优化确定的缩尺比有限元模型即为绑扎桥相似畸变模型。

【技术特征摘要】
1.一种基于多目标优化的绑扎桥相似畸变模型构建方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)构建绑扎桥1:1有限元模型，确定寻优目标，所述的寻优目标包括静力学目标和动力学目标；(2)获取绑扎桥1:1有限元模型中寻优目标所对应的目标值；(3)对绑扎桥1:1有限元模型进行简化获取结构等效有限元模型；(4)对结构等效有限元模型的设计参数进行寻优直至结构等效有限元模型中寻优目标真值收敛至目标值；(5)根据给定缩尺比，基于结构等效有限元模型构建缩尺比有限元模型；(6)对缩尺比有限元模型的设计参数进行寻优直至缩尺比有限元模型中寻优目标真值收敛至目标值，优化确定的缩尺比有限元模型即为绑扎桥相似畸变模型。2.根据权利要求1所述的一种基于多目标优化的绑扎桥相似畸变模型构建方法，其特征在于，所述的静力学目标包括绑扎桥绑扎点的应变、绑扎桥整体结构最大位移以及绑扎桥整体结构平均刚度。3.根据权利要求1所述的一种基于多目标优化的绑扎桥相似畸变模型构建方法，其特征在于，所述的动力学目标包括绑扎桥绑扎点的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王德禹，李春通，马宁，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31