船舶构件结构鲁棒设计的研究

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1、摘要在任何工程结构中载荷材料特性几何以及边界条件等总存在着不确定性为使结构能以较高的置信度达到期望的性能应在设计中考虑这些不确定因素的影响传统的处理方法是在确定性优化中对这些变量取保守的值或者通过引进安全系数的方法来实现而可靠性设计方法则是以概率论原理来处理不确定性最近鲁棒设计的概念非常流行本文尝试在结构设计中结合鲁棒设计的思想探讨结构的鲁棒设计问题鲁棒设计是由日本质量专家田口提出的一种质量改进技术是一种有效减小产品质量波动的方法其基本思想是在产品设计目标满足设计要求的前提下同时使由参量变化引起的产品性能变化也极小在结构设计中结合鲁棒设计的思想至少有以下几个方面的优点一在现有的工艺水平下

2、可以提高结构的质量因为在结构设计阶段就充分考虑了工艺的影响这是传统设计方法做不到的二可以降低造价由于设计时对质量有变化的宽裕度可以考虑用成本低的材料来代替成本高的材料使产品更具有竞争力三可以降低维修费用因为在设计阶段考虑了结构在服务期间可能遇到的环境变化因此结构性能稳定具有很高的可靠性本文主要做了如下几个部分的研究工作一工业鲁棒设计研究进展对当前国内外工业鲁棒设计的理论和方法进行了综合分析对田口的参数设计方法WeiChen的响应面方法以及非线性优化鲁棒设计方法分别进行了介绍并分析了各自的优缺点二基于理想点法的结构鲁棒设计分别定义了目标函数与约束函数的鲁棒性探讨了一种结构鲁棒设计的模型因需

3、同时考虑目标函数的极小性与鲁棒性需进行多目标优化决策由于线性加权和法在解决非凸集问题时存在很大的缺点尝试用理想点法特别是带权无穷范数理想点法来解决该多目标优化问题对于约束函数在原始约束函数基础上加上带有惩罚因子的惩罚项这些惩罚项与约束函数的梯度及变量的公差成比例三结构鲁棒设计应用实例及分析根据前面所探讨的结构鲁棒设计模型结合序列二次规划SQP优化策略分别对两杆支架箱型舱口盖悬臂梁三杆桁架以及船体加筋板等几种典型的结构进行了设计并分析了各个参量对设计结果的影响四基于可靠性的结构鲁棒设计把基于可靠性的结构优化设计与鲁棒设计的思想结合来探讨了基于可靠性的结构鲁棒设计以可靠度对输入随机变量统计量

4、的敏感性为目标使得结构在可接受的成本范围内对输入随机变量的统计量均值标准差以及分布类型等的变化不敏感同时满足一定的可靠度水平并通过悬臂梁的设计问题对确定性优化设计可靠性优化设计以及基于可靠性的鲁棒设计进行了比较分析关键词鲁棒设计理想点法多目标优化结构可靠性ABSTRACTUncertaintiesalwaysexitinloading,materialproperties,geometryandotheraspectsofanystructure.Todesignstructuresthatcanperformtheirintendedfunctionwithdesireconfiden

5、ce,theuncertaintiesinvolvedmustbetakenintoaccounted.Thetraditionalwayofdealingwiththeuncertaintiesistouseconservativevaluesoftheuncertainquantitiesorsafetyfactorsintheframeworkofdeterministicdesign.Amorerigoroustreatmentoftheuncertaintiescanbefoundinreliability-baseddesignphilosophiesbasedontheth

6、eoryofprobability.Morerecently,theconceptionof“robustdesign”hasbecomepopulation.Inthispaper,astructuralrobustoptimaldesignapproachisdiscussedbyincorporatedintotheprincipleof“robustdesign”.Robustdesign,originallyproposedbyTaguchi,isanapproachforimprovingthequalityofaproduct.Robustdesignattemptstom

7、akedesigninsensitivetoinputvariationsinthestageofdesign,whichcanminimizetheeffectofvariationswithouteliminatingthecausesandimprovethequalityofaproductduringmanufacturingandusingprocess.Robustdesignforstructuraldesignha