一种考虑流体负载效应的平板结构优化设计方法技术

本发明专利技术一种考虑流体负载效应的平板结构优化设计方法，利用优化算法的优势，快速搜索出边界条件最优解，使平板结构获得最接近目标设定的固有频率，本发明专利技术可指导处于任意流体介质中平板结构的边界条件优化设计，更符合实际需要；结合优化算法的优势，可实现同时对多条边界、多个边界参数进行快速优化；可设定明确、具体的固有频率目标值，并快速搜索出满足目标的最优边界参数。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑流体负载效应的平板结构优化设计方法
本专利技术涉及一种考虑流体负载效应的平板结构优化设计方法。
技术介绍
平板结构是工程中最常见的结构之一，广泛应用于船舶与海洋工程、航空航天工程、土木建筑工程、车辆工程等结构中。影响平板结构特性的因素包括平板材料、尺寸、厚度、阻尼和边界条件等。其中，边界条件（即边界安装条件）是重要的影响因素，通过对边界条件的优化可以实现在不改变平板自身参数（如材料、尺寸、厚度、阻尼等）的情况下改善平板结构性能，因此一直受到广泛研究。固有频率及其对应模态是各类结构的重要动力特性参数。尤其是前几阶的固有频率及其对应模态很大程度上决定了结构的响应特性。现有方法验证了边界条件对平板结构特性的重要影响，但不足之处在于由于平板结构的边界条件有无数种可能，现有方法很难根据用户对固有频率的特定需求找到准确合适的边界条件，在实际应用中仍有较大的局限性。另外，平板结构在船舶与海洋工程中有广泛应用，此类结构的振动特性受所处流体环境（如水）的影响很大，优化设计时必须考虑流体负载的影响。优化方法和技术已经是一种以数学为基础，用于求解各种工程问题优化解的应用技术。所谓的优化算法可视为一种搜索过程和规则，它基于某种思想和机制，通过一定的途径或规则来获得满足用户要求的问题的近似最优解。就优化机制与行为而言，常用的优化算法主要可分为：经典算法、构造型算法、改进型算法、基于系统动态演化的算法和混合型算法等等。其中，经典算法一般包括线性规划、动态规划、整数规划和分枝定界等传统算法，经典算法的计算复杂性一般较大；构造型算法一般包括Johnson法、Palmer法、Gupta法、CDS法、Daunenbring的快速接近法、NEH法等；改进型算法（或称邻域搜索算法）一般又可分为局部搜索法和指导搜索法，其中局部搜索法以局部优化策略在当前解的邻域中贪婪搜索，如只接受优于当前解的状态作为下一当前解的爬山法，接受当前的解邻域中的最好的解作为下一当前解的最陡下降法等。指导性搜索法一般是利用一些指导规则来指导整个解空间中优良解的探索，如SA、GA、EP、ES、TS等；基于系统动态演化的算法一般是将优化过程转化为系统动态的演化过程，基于系统动态演化来实现优化，如神经网络和混沌搜索等；混合型算法则一般指的是上述各算法从结构或操作上相混合而产生的各类算法，如量子进化和模拟退火的混合优化算法、模拟退火和遗传算法的混合优化算法等。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种考虑流体负载效应的平板结构优化设计方法，使之能指导任意流体介质环境下平板结构的优化设计，设计过程中利用优化算法的优势，快速搜索出边界条件（边界参数）最优解，使平板结构获得最接近目标设定的固有频率。本专利技术一种考虑流体负载效应的平板结构优化设计方法，具体包括如下步骤：步骤1、给定各项已知参数，包括平板材料、尺寸、厚度的平板参数、包括流体密度、流体中声速的结构内外表面流体特性参数和待优化边界参数的可调范围；步骤2、设定固有频率的优化目标：优化目标既可以只对一个指定阶数的固有频率进行优化，也可以同时对多个指定阶数的固有频率进行优化，如果同时对多个阶数的固有频率进行优化，则设定各个阶数的对应权重；步骤3、针对内外表面具有流体负载效应的平板结构，建立其自由振动方程式：式（1）中，ω为自振角频率，{M}和{K}分别为平板结构的整体质量矩阵和整体刚度矩阵，可由有限单元法获得，具体如下：{M}由平板单元等效质量矩阵{Mp}e所组成，{K}由平板单元等效刚度矩阵{Kp}e和支撑边界单元等效刚度矩阵{Kb}e所组成：{Mp}e=ρph∫∫{N}T{Hp}{N}dxdy，{Kp}e=∫∫{Bp}T{Dp}{Bp}dxdy，其中，ρp为平板材料密度，h为平板厚度，{N}为单元形函数，{Bp}为应变矩阵，{Dp}为抗弯刚度矩阵，{Hp}为关于h的对角矩阵函数；为单元边界轮廓Γb的单位法向量；ktb和krb为支撑边界的参数，分别代表结构支撑边界的横向刚度和转动刚度，这些边界参数可为复数形式，实部表示边界支撑的弹性特性，虚部表示边界支撑的阻尼特性，若模拟弹性边界支撑则虚部值取0，边界参数可以是常数也可以是位置函数；式（1）中，表示结构所处流体介质的负载效应，可由边界元法获得，为全局转换矩阵，可将单元负载压力转换为等效节点力；为全局转换矩阵，可将节点位移转换为横向挠度；{A1}和{A2}是由边界配置法获得的方形矩阵，分别由结构内、外表面所处流体的介质特性所决定，它们的矩阵元素可表示为：Ai(l,m)=ρiω2∫SG(xl,ξm)dS,(i=1,2)，其中，ρ1、ρ2分别为结构内、外表面的流体密度，xl和ξm分别表示接收点l和源点m的位置，G为格林函数，S为单元面积；上述各量可由平板结构参数和流体介质参数推导获得，这些参数包括：平板材料、尺寸、厚度、边界参数、结构内外表面流体密度、流体中声速；步骤4、根据步骤1设定的已知参数，利用步骤3的自由振动方程式(1)，确定平板结构的固有频率可能范围；步骤5、结合步骤2设定的固有频率优化目标和步骤4确定的固有频率可能范围，若设定的固有频率优化目标处于该固有频率的可能范围之内，则判定优化目标可以实现，继续进入下一步骤，否则，若设定的固有频率优化目标处于该固有频率的可能范围之外，则结束优化设计过程；步骤6、选择合适的优化算法，将步骤3的自由振动方程式（1）和优化算法相结合，针对步骤1设定的已知参数和步骤2设定的优化目标进行最优解搜索,以获得满足要求的最优边界参数；步骤7、根据步骤6的最优边界参数形成平板结构。所述步骤5中若固有频率优化目标包含多个指定阶数，则判定优化目标可否实现的具体做法为：以权重最大的阶数的固有频率优化目标和该阶固有频率的可能范围来判定；如果每阶权重一致，则以最小阶数的固有频率优化目标和最小阶数的固有频率可能范围来判定。本专利技术一种考虑流体负载效应的平板结构优化设计方法，可指导处于任意流体介质中平板结构的边界条件优化设计，更符合实际需要；结合优化算法的优势，可实现同时对多条边界、多个边界参数进行快速优化；可设定明确、具体的固有频率目标值，并快速搜索出满足目标的最优边界参数。附图说明图1为本专利技术的工作流程图；图2为本专利技术的平板结构的示意图；图3为本专利技术实施例的示意图；图4为本专利技术中遗传算法流程示意图。下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详述。具体实施方式如图1所示，本专利技术一种考虑流体负载效应的平板结构优化设计方法，具体包括如下步骤：步骤1、给定各项已知参数，包括平板材料、尺寸、厚度的平板参数、包括流体密度、流体中声速的结构内外表面流体特性参数和待优化边界参数（即边界条件）的可调范围；步骤2、设定固有频率的优化目标：优化目标既可以只对一个指定阶数的固有频率进行优化，也可以同时对多个指定阶数的固有频率进行优化，如果同时对多个阶数的固有频率进行优化，则设定各个阶数的对应权重；步骤3、针对图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑流体负载效应的平板结构优化设计方法，其特征在于具体包括如下步骤：步骤1、给定各项已知参数，包括平板材料、尺寸、厚度的平板参数、包括流体密度、流体中声速的结构内外表面流体特性参数和待优化边界参数的可调范围；步骤2、设定固有频率的优化目标：优化目标既可以只对一个指定阶数的固有频率进行优化，也可以同时对多个指定阶数的固有频率进行优化，如果同时对多个阶数的固有频率进行优化，则设定各个阶数的对应权重；步骤3、针对内外表面具有流体负载效应的平板结构，建立其自由振动方程式：式（1）中，ω为自振角频率，{M}和{K}分别为平板结构的整体质量矩阵和整体刚度矩阵，可由有限单元法获得，具体如下：{M}由平板单元等效质量矩阵{Mp}e所组成，{K}由平板单元等效刚度矩阵{Kp}e和支撑边界单元等效刚度矩阵{Kb}e所组成：{Mp}e=ρph∫∫{N}T{Hp}{N}dxdy，{Kp}e=∫∫{Bp}T{Dp}{Bp}dxdy，{Kb}e=∫(12ktd{Nw}T{Nw}+12krb{∂Nw∂n→b}T{∂Nw∂n→b)dΓb,其中，ρp为平板材料密度，h为平板厚度，{N}为单元形函数，{Bp}为应变矩阵，{Dp}为抗弯刚度矩阵，{Hp}为关于h的对角矩阵函数；为单 元边界轮廓Γb的单位法向量；ktb和krb为支撑边界的参数，分别代表结构支撑边界的横向刚度和转动刚度，这些边界参数可为复数形式，实部表示边界支撑的弹性特性，虚部表示边界支撑的阻尼特性，若模拟弹性边界支撑则虚部值取0，边界参数可以是常数也可以是位置函数；式（1）中，表示结构所处流体介质的负载效应，可由边界元法获得，为全局转换矩阵，可将单元负载压力转换为等效节点力；为全局转换矩阵，可将节点位移转换为横向挠度；{A1}和{A2}是由边界配置法获得的方形矩阵，分别由结构内、外表面所处流体的介质特性所决定，它们的矩阵元素可表示为：Ai(l,m)=ρiω2∫SG(xl,ξm)dS,(i=1,2)，其中，ρ1、ρ2分别为结构内、外表面的流体密度，xl和ξm分别表示接收点l和源点m的位置，G为格林函数，S为单元面积；上述各量可由平板结构参数和流体介质参数推导获得，这些参数包括：平板材料、尺寸、厚度、边界参数、结构内外表面流体密度、流体中声速；步骤4、根据步骤1设定的已知参数，利用步骤3的自由振动方程式(1)，确定平板结构的固有频率可能范围；步骤5、结合步骤2设定的固有频率优化目标和步骤4确定的固有频率可能范围，若设定的固有频率优化目标处于该固有频率的可能范围之内，则判定优化目标可以实现，继续进入下一步骤，否则，若设定的固有频率优化目标处于该固有频率的可能范围之外，则结束优化设计过程；步骤6、选择合适的优化算法，将步骤3的自由振动方程式（1）和优化算法相结合，针对步骤1设定的已知参数和步骤2设定的优化目标进行最优解搜索,以获得满足要求的最优边界参数；步骤7、根据步骤6的最优边界参数形成平板结构。FDA0000426387140000011.jpg,FDA0000426387140000013.jpg,FDA0000426387140000021.jpg,FDA0000426387140000022.jpg,FDA0000426387140000023.jpg...

【技术特征摘要】
1.一种考虑流体负载效应的平板结构优化设计方法，其特征在于具体包括如下步骤：步骤1、给定各项已知参数，包括平板材料、尺寸、厚度的平板参数、包括流体密度、流体中声速的结构内外表面流体特性参数和待优化边界参数的可调范围；步骤2、设定固有频率的优化目标：优化目标既可以只对一个指定阶数的固有频率进行优化，也可以同时对多个指定阶数的固有频率进行优化，如果同时对多个阶数的固有频率进行优化，则设定各个阶数的对应权重；步骤3、针对内外表面具有流体负载效应的平板结构，建立其自由振动方程式：式(1)中，ω为自振角频率，{M}和{K}分别为平板结构的整体质量矩阵和整体刚度矩阵，可由有限单元法获得，具体如下：{M}由平板单元等效质量矩阵{Mp}e所组成，{K}由平板单元等效刚度矩阵{Kp}e和支撑边界单元等效刚度矩阵{Kb}e所组成：{Mp}e＝ρph∫∫{N}T{Hp}{N}dxdy，{Kp}e＝∫∫{Bp}T{Dp}{Bp}dxdy，其中，ρp为平板材料密度，h为平板厚度，{N}为单元形函数，Nw为平板中面扰度所对应的单元形函数，{Bp}为应变矩阵，{Dp}为抗弯刚度矩阵，{Hp}为关于h的对角矩阵函数；为单元边界轮廓Γb的单位法向量；ktb和krb为支撑边界的参数，分别代表结构支撑边界的横向刚度和转动刚度，这些边界参数可为复数形式，实部表示边界支撑的弹性特性，虚部表示边界支撑的阻尼特性，若模拟弹性边界支撑则虚部值取0，边界参数可以是常数也可以是位置函数；式(1)中...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧达毅，
申请(专利权)人：华侨大学，
类型：发明
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