船舶结构优化设计方法的研究进展

船舶结构设计，具有较强的综合性，经验性和创造性。运用经典优化方法加以处理，虽然也取得了一定成果，但要建立真正有效的船舶结构优化设计方法，必须与实际工程特点，现代数学理论以及最新计算技术结合。目前，研究工作已取得了初步进展，本文综述了有关研究情况。     

应用优化技术计算船舶斜浪中的扭矩外力

 从实用角度出发，应用优化技术，确定船舶斜浪中的平衡浮 态，在传统方法基础上更接近实际状态. 提出了一种船舶斜置于波 浪上的外力计算方法，编制了计算机程序. 另外，特别针对大开口 船舶其剖面扭心在基线以下的特点，计及了左右舷不对称横向力对 扭矩的贡献.     

舵,减摇和模糊控制

本文将模糊控制理论应用于船舶操纵及横摇运动控制，开发了舵减计算机模拟系统，将船舶在各种外力情况下的操纵及横摇运动控制实时仿真：仿真结果表明：当船舶在定常风或海流作用下发生转艏，偏离原航向或产生横摇时，采用舵减摇可取得明显效果，并能保持原航向。     

船舶工程中的力学问题

简要介绍了船舶工程的发展概况，重点介绍了船舶工程结构中的一些主要力学问题，包括船舶稳定性、推进的运动与阻力分析、船舶与海洋结构物的水动力学、静动强度问题、介绍了随机响应分析的概率方法和上述结构的可靠性分析，对21世纪船舶工程面临的挑战以及我国在该领域内的发展前景作了展望．     

结构拓扑优化设计的三角网格进化法

针对进化或拓扑优化方法的不足，提出了一种基于遗传算法的新型进化式拓扑优化方法－－三角网格进化法，该方法不仅能够同时进行拓扑，形状与截面变量优化设计，而且在优化过程中实现了退化和进化的统一，提高了优化效率。另外本文还首次对结构类型变量进行了优化计算，取得了有益的结果。最后几个数值算例证明了本方法的可行性和有效性。     

船舶与海洋平台结构冰载荷的高性能扩展多面体离散元方法

船舶与海洋平台结构的冰载荷是寒区海洋工程结构物设计中的关键参数,而离散元方法是有效计算结构冰载荷的重要手段. 本文采用基于闵可夫斯基和原理的扩展多面体离散元方法模拟船舶与海洋平台结构的相互作用过程. 其中,构造扩展多面体的近似包络函数并建立了基于优化模型的快速接触搜索算法;考虑单元间粘结作用的刚度软化过程建标识码元间的粘结-破碎模型. 同时,发展了 CPU-GPU 协同异构环境下的高性能并行算法. 为分析海冰与海洋结构作用中的冰载荷,采用ISO标准验证了扩展多面体离散元分析结构冰载荷的准确性. 采用离散元方法计算了船舶结构的冰载荷,研究了船舶结构表明的线载荷分布特点,并采用船舶结构冰阻力经验公式验证了计算结果的合理性. 采用离散元方法计算了平整冰区与多桩腿平台结构的相互作用,分析各桩腿上的冰载荷特点. 针对碎冰区的海冰管理过程,采用离散元方法分析了船舶结构绕行过程中的船舶和海洋平台结构冰载荷. 本文方法可有效应用于海洋结构冰载荷分析,能为极地船舶与海洋平台结构的设计和安全运行提供科学的分析手段.      

船舶与海洋平台结构冰载荷的高性能扩展多面体离散元方法

船舶与海洋平台结构的冰载荷是寒区海洋工程结构物设计中的关键参数,而离散元方法是有效计算结构冰载荷的重要手段.本文采用基于闵可夫斯基和原理的扩展多面体离散元方法模拟船舶与海洋平台结构的相互作用过程.其中,构造扩展多面体的近似包络函数并建立了基于优化模型的快速接触搜索算法;考虑单元间粘结作用的刚度软化过程建立了单元间的粘结-破碎模型.同时,发展了CPU-GPU协同异构环境下的高性能并行算法.为分析海冰与海洋结构作用中的冰载荷,采用ISO标准验证了扩展多面体离散元分析结构冰载荷的准确性.采用离散元方法计算了船舶结构的冰载荷,研究了船舶结构表明的线载荷分布特点,并采用船舶结构冰阻力经验公式验证了计算结果的合理性.采用离散元方法计算了平整冰区与多桩腿平台结构的相互作用,分析各桩腿上的冰载荷特点.针对碎冰区的海冰管理过程,采用离散元方法分析了船舶结构绕行过程中的船舶和海洋平台结构冰载荷.本文方法可有效应用于海洋结构冰载荷分析,能为极地船舶与海洋平台结构的设计和安全运行提供科学的分析手段.     

力学的永恒魅力与贡献——————与时俱进的船舶力学

船舶力学是一个与船舶工程紧密结合的力学领域.作为力学的一门分支学科,于20世纪上半叶形成了自身较为系统的专业格局,并且在20世纪下半叶取得了突飞猛进的发展.结合当代船舶与船舶技术演进的概况,尤其是近年来超越传统的快速发展,简述了船舶力学所面临的需求及所做出的贡献.本文并对船舶力学主要研究领域的现状、发展方向与热点问题,择要作了概括的、远非全面的介绍,对其发展总趋势作了初步的分析.毫无疑问,船舶类型的每一步更新与发展,都包含着在船舶力学的领域中认识与把握船舶所遭受的随机、复杂、险恶的环境载荷,改进航行性能,保证船体安全可靠等方面的科学与技术的进步.凡是船舶力学研究最活跃的地方,往往就是需求最明确,船舶新技术出现最快的地方.可以说,现代船舶发展的历史,也就是船舶力学发展的历史,船舶力学是船舶技术创新的一个重要源泉,而船舶的工程需求又是船舶力学发展的基石,两者紧密结合,与时俱进.在人类的历史进入21世纪的时候,船舶设计制造技术频频更新,改变着船舶与海上运输的面貌,同时船舶力学发展的历史也将翻到崭新的一页.      

基于多介质、多尺度离散元方法的冰载荷数值冰水池

极地船舶与海洋工程结构冰载荷的确定是其结构抗冰设计、冰区安全运行和结构完整性管理的重要研究内容. 当前快速发展的高性能计算技术和多介质、多尺度数值方法为准确、高效地计算结构冰载荷提供了有效的途径, 其中以离散元方法为代表的数值方法取得了出色的研究成果. 为此, 本文针对目前极地船舶与海洋工程结构对冰载荷及力学响应的工程需求, 同时考虑国内外对海冰、工程结构与流体相互耦合的多介质、多尺度数值方法研究现状, 对极地船舶与海洋工程数值冰水池的概念、框架、开发技术以及基于离散元方法的软件实现与工程应用进行了论述. 数值冰水池在船舶与海洋工程结构冰载荷确定方面具有可靠性、经济性、快速性、扩展性和情景化等显著优势. 本文工作借鉴数值水池的研究思路, 以典型船舶和海洋平台结构冰载荷及结构力学响应的离散元计算为例, 探讨了数值冰水池研究的可行性和工程应用前景, 阐述其与理论分析、现场测量和模型试验研究相结合的必要性. 以上研究有益于中国在极地船舶与海洋工程领域形成具有独立知识产权的数值计算分析平台, 对中国极地海洋强国的战略实施具有很好的启发和指导意义.      

船舶碰撞的研究方法和进展

本文简要评述船舶碰撞的研究进展和发展趋势．介绍了船舶碰撞研究的内容和方法（包括理论的和实验的）．本文重点阐述实船试验方法，包括实尺试验的基本步骤，实尺试验的输入参数选择和试验地点选择．最后提出了综合性意见，并介绍了国内在碰撞研究方面已做的工作和将要做的工作．     

结构鲁棒设计方法及其应用

本总结当前国内外鲁棒设计的研究成果,介绍并评述各种鲁棒设计方法,提出在工程结构设计中运用该方法的设想,算例表明结构鲁秦设计的优越性,并展望在船舶结构设计中应用的前景。     

Theory and solution of general fuzzy optimization for structures

In order to consider the overall fuzzy factors and fuzzy information in optimum design of engineering structures, the theory and solution of general fuzzy programming with wide generality are proposed in this paper. On the basis of this programming, an example of structural optimum design with multi-objective is given.     

正态和非正态分布下结构系统的可靠性分析

本文在分析现有计算方法的基础上,提出了适合于多种结构系统可靠性分析的五种评价衡准.在失效概率的计算过程中,考虑了多种分布形式及随机变量间、失效形式间的相关性,从而为结构系统的最优可靠性设计提供了可靠的设计依据。     

一种基于应力的双方向结构拓扑优化算法

基于传统的渐进结构优化方法，提出了一种基于应力的双方向渐进拓扑优化算法。该方法是对传统方法和目前的双方向法的改进和完善。算例表明该方法能避免目前的双方向法具有的解的振荡问题，具有更高的可靠性，能获得更佳的拓扑结构。     

An efficient method for structural optimization

Based on the dual theory of nonlinear mathematical programming and the second order Taylor series expansions of functions, an efficient algorithm for structural optimum design has been developed. The main advantages of this method are the generality in use, the efficiency in computation and the capability in identifying automatically the set of active constraints. On the basis of the virtual work principle, formulas in terms of element stresses for the first and second order derivatives of nodal displacement and stress with respect to design variables are derived. By applying the Saint-Venant's principle, the computational efforts involved in the Hessian matrix associated with the iterative expression can be significantly reduced. This method is especially suitable for optimum design of large scale structures. Several typical examples have been optimized to test its uasefulness.     

Fuzzy reliability analysis of aseismic structures

The structural reliability analysis taking account of the fuzziness in both earthquake loads and structural resistances is put forward in this paper. For this purpose, the concepts such as fuzzy earthquake intensity, fuzzy response spectrum, fuzzy structural response and satisfaction degree to fuzzy-random constraint are defined. This procedure may be taken as a basis for establishing a more rational optimum design of structures.     

水中爆炸冲击波载荷作用下舰船结构动态响应的数值模拟

采用大型通用有限元软件MSC.DYTRAN,对某型水面舰船全船结构在水下爆炸冲击波载荷作用下的动态响应进行了数值模拟。分别从结构的变形损伤形式、能量吸收和冲击环境等几个方面研究了舰船结构在水下爆炸载荷作用下的破坏机理和响应特征。     

结构稳健性设计与考虑不确定因素的优化设计的比较

用典型的三杆桁架结构设计问题，进行了结构稳健性设计与考虑不确定因素的优化设计的比较，通过用蒙特卡罗模拟法对设计结果的结构可靠性计算，表明两种设计在提高结构可靠性上是一致的，但结构稳健性设计更具有有效控制结构特性散布的优点。     

结构拓扑优化研究方法综述

结构拓扑优化研究方法目前有解析方法和数值方法两大类.首先介绍了解析方法中的 Michell理论,它在结构拓扑优化领域研究较早,影响最为深远.随后着重讨论了杆系和连 续体结构拓扑优化的数值方法.杆系结构常采用基结构方法,通过删除部分杆件达到结构 拓扑优化的目的.连续体结构一般要划分为有限单元,通过删除单元形成带孔的连续体, 以实现拓扑优化.介绍了连续体结构拓扑优化常采用的材料模型:各向同性、各向异性和 带微结构材料.并对连续体结构(0-1)拓扑优化中的数值计算不稳定问题的机理进行了分 析,给出了解决方法.此外,对应力约束问题存在解的奇异性现象也作了简要介绍.最后, 对数值方法中的主要数学求解方法进行了简单介绍.     

一种改进的结构拓扑优化水平集方法

针对有限的结构设计区域,界面力的大小和作用的位置以及部分给定位移的结构边界始终保持不变的要求,为了解决基于水平集方法的结构边界演化停滞等问题,导出了基于水平集演化的结构拓扑优化所需的法向速度场.研究了由该法向速度场导出的序列解的收敛特性,并建立了一套新的结构柔顺度为目标函数,体积为约束条件的水平集演化算法,给出的算例验证了该方法的正确性和有效性.