一种导缆孔的优化方法
【专利摘要】本发明公开了一种导缆孔的优化方法，包括如下步骤：(1)根据导缆孔的几何尺寸参数，建立导缆孔的几何模型并划分网格；(2)确定导缆孔的受力节点，对其进行静力学分析及疲劳强度分析；(3)将上述导缆孔几何模型进行外围填补、分层，进行拓扑优化分析；(4)导出上述拓扑优化后的导缆孔几何模型，重新建立模型并划分网格；(5)确定重新建模后的导缆孔的受力节点，进行静力学分析及疲劳强度分析；(6)验证原模型与拓扑优化后的模型的性能。优点为本发明计算机模拟技术能够正确得出导缆孔的最佳结构，同时为设计优化导缆孔，提供一种借助于有限元软件的解决办法，缩短了导缆孔开发周期，减少开发费用。
【专利说明】
-种导缆孔的优化方法
技术领域
[0001] 本发明属于船舶及海洋工程设备领域，尤其设及一种导缆孔的优化方法。
【背景技术】
[0002] 导缆孔又称"艇墙缆孔"，是嵌在艇墙上或固定在甲板上，用于限制缆绳导出位置 的闭式孔状导缆器，为一圆形或楠圆形的环形铸件。其广泛应用于船舶及海洋工程的系泊， 是船舶及海洋工程必备装置。
[0003] 在进行导缆孔新产品开发过程中，大多数厂家使用经典的经验公式来设计，只能 采用较高的安全系数W保障其安全性，使得导缆孔尺寸和重量越来越大，理论的承载能力 和实际的承载能力存在较大差异，但此方法适用范围窄、分析精度低、获取信息量小、计算 过于保守导致结构笨重，且倘若针对结构复杂、新材料或新工艺的导缆孔，此方法则误差很 大。
【发明内容】
[0004] 发明目的：本发明的目的是提供一种能够减少导缆孔的开发周期、减少开发费用 的导缆孔优化方法。
[0005] 技术方案:本发明的导缆孔的优化方法，包括如下步骤：
[0006] (1)根据导缆孔的几何尺寸参数，建立导缆孔的几何模型并划分网格；
[0007] (2)确定导缆孔的受力节点，对其进行静力学分析及疲劳强度分析；
[000引（3)对上述导缆孔几何模型进行填补、分层，进行拓扑优化分析；
[0009] (4)导出上述拓扑优化后的导缆孔几何模型，重新建立模型并划分网格；
[0010] (5)确定重新建模后的导缆孔的受力节点，对进行静力学分析及疲劳强度分析；
[0011] (6)验证原模型与拓扑优化后的模型的性能。
[0012] 进一步说，步骤(2)中，所述静力学分析是采用有限元软件;疲劳强度分析是采用 疲劳分析软件，设置极限强度、屈服强度，创建阶梯载荷谱、导缆孔表面粗糖度、工作溫度及 表面处理工艺。
[0013] 更进一步说，步骤(3)中，所述分层是将模型分为35~37个层;拓扑优化中，包括修 改单元伪密度、约束体积分数及目标定为柔度最小。
[0014] 有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为:首先，消除了导缆孔结构设计 时的主观性，通过计算机模拟技术能够正确得出导缆孔的结构，缩短导缆孔开发周期，减少 开发费用;其次，通过有限元分析软件能够有效正确分析导缆孔应力集中和位移形变，且通 过疲劳分析软件能够正确分析出疲劳强度情况;此外，进行拓扑优化时，采用对称约束与多 工况分析的优化方法，优化出的结构更加满足实际工作要求，不仅结构性能提高，而且重量 大大减少。
【附图说明】
[0015] 图I是本发明的流程图；
[0016] 图2是本发明实施例中己拿马导缆孔的几何模型图；
[0017] 图3是本发明实施例中己拿马导缆孔的六面体网络模型图；
[0018] 图4中的(a)、(b)、（c)是本发明实施例中S种工况图；
[0019] 图5中的(a)、(b)、（c)是本发明实施例中S种工况时的应力云图；
[0020] 图6中的(a)、(b)、（c)是本发明实施例中S种工况时的位移云图；
[0021] 图7是本发明实施例中材料S-N曲线；
[0022] 图8中的（a)、（b)、（C)是本发明实施例中S种工况时，导缆孔疲劳分析损伤值云 图；
[0023] 图9是本发明实施例中将原来的导缆孔填补后图；
[0024] 图10是本发明实施例中拓扑优化的35种工况分层图；
[0025] 图11是本发明实施例中拓扑优化结果图；
[0026] 图12是本发明实施例中拓扑优化结果内层壳曲线图；
[0027] 图13是本发明实施例中根据拓扑优化结果重新画几何模型图；
[00%]图14是本发明实施例中新画网格图；
[0029] 图15中的(a)、(b)、（c)是本发明实施例中新模型S种工况图；
[0030] 图16中的(a)、(b)、（c)是本发明实施例中新模型S种工况时，应力云图；
[0031] 图17中的(a)、(b)、（c)是本发明实施例中新模型S种工况时，位移云图；
[0032] 图18中的（a)、（b)、（c)是本发明实施例中新模型S种工况时，导缆孔疲劳分析损 伤值云图。
【具体实施方式】
[0033] 下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
[0034] 实施例1
[0035] 如图1所示，本发明的导缆孔优化方法包括如下步骤：
[0036] (1)运用S维软件PROE软件建立BC450GB11586-89己拿马导缆孔的几何模型，如图 2所示，然后运用有限元软件Hypermesh软件，对该几何模型划分网格，其中单元类型为 C3D6，单元数为591856，节点数为655001，如图3所示；
[0037] (2)运用有限元软件Abaqus软件对己拿马导缆孔静力学分析，具体为:约束底部侧 面所有节点，依次分别在a、b、c方向施加压强，且压强方向垂直于内孔曲面，如图4中（a), (b)，（C)所示，其中a、b、c方向见图2所示，且a与b，b与C向夹角均为45%目前国内最为广泛 的导缆孔标准是(GB11586-89)《己拿马运河导缆孔》，但该标准没有给出相关导缆孔的安全 载荷，而且本发明主要是为了研究一种性能更优的导缆孔结构，W及设计的方法，根据 BC450GB11586-89己拿马导缆孔一般使用情况，取缆绳拉力为320kN，缆绳作用于导缆孔时， 与导缆孔孔体表面圆弧段产生接触，从而产生压力，假定该压力沿缆绳方向在接触面上均 匀分布，缆绳直径取60mm，接触面长度可依照缆绳角度确定，宽度取缆绳直径的60%~ 75 %，从而计算出接触面积为18286mm2左右，此时压强取35Mpa，同时在设置参数时，导缆孔 材料为G230-450,设定其弹性模量为2. leSMPa，泊松比为0.3,获得如图5中的（a)，（b)，（C) 所示的应力云图及如图6中的(a)，（b)，（C)所示的位移云图；
[0038] (3)根据Abaqus静力学分析结果，使用疲劳分析软件Femfat对导缆孔进行疲劳分 析;导入模型文件和应力结果文件后，输入材料的强度极限450M化和230M化屈服极限，得到 其S-N曲线、O-E曲线和化i曲图；对导缆孔施加50000次对称循环变应力的试验载荷，取平均 应力缩放系数和应力幅值缩放系数均为1，导缆孔表面粗糖度为SmoothecK = 60um)、工作溫 度为20°C及表面处理工艺为General surface Treatment Factor,获得的导缆孔材料的疲 劳曲线(S-N曲线)如图7所示，W及导缆孔疲劳分析损伤值云图，如图8的(a)、（b)、（c)所示， 在导缆孔的实际工况中，应力最大处很容易出现疲劳破坏，此与采用Femfat进行疲劳分析 时损伤值最大的位置相符；
[0039] (4)采用拓扑优化软件Hypermesh软件，对导缆孔进行拓扑优化，具体包括:先将原 模型外围填补，填补后如图9所示，其次，将该模型沿前壁至后壁方向分成35种工况，每种工 况对应一个分层，即将该模型分为35个层，如图10所示，拓扑优化模型中设计变量为所述= 维实体有限元的单元伪密度、约束为体积分数小于0.3、目标为结构柔度最小；同时采用对 称约束与多工况分析的优化方法，最后，在上述拓扑优化结果中去除单元伪密度0.3 W内的 部分，根据剩下部分找出导缆孔的最佳结构，确定优选方案，其中，该步骤中将模型分为35 层，若将其分为36或37层，其效果相同；
[0040] (5)导出拓扑优化后的S维模型，如图11所示，并根据该导缆孔模型，采用origin 软件拟合出内层壳曲线，曲线为正高斯曲线，在导缆孔受到相对均匀的力时，正高斯曲线具 有很好的稳定性，该曲线方程为其中，x，y为二维坐 标系的坐标，如图12所示；
[0041] (6)运用S维软件PROE软件，重新建立优化后的己拿马导缆孔的几何模型，如图13 所示，并运用有限元软件Hypermesh软件，划分网格，其中单元类型为C3D4,单元数为 149212，节点数为39462，如图14所示；
[0042] (7)运用有限元软件Abaqus,对重新建立的己拿马导缆孔模型静力学分析，具体步 骤与步骤(2)相同，S种工况如图15中（a), (b)，（c)所示，获得如图16中的(a), (b)，（c)所示 的应力云图及如图17中的(a), (b)，（c)所示的位移云图；
[0043] (8)运用疲劳分析软件化mfat软件，对重新建立的S维模型进行疲劳强度分析，具 体步骤与步骤(3)相同，获得的疲劳分析损伤值云图如图18中的(a), (b)，（c)所示；
[0044] (9)将原模型与优化后模型进行性能对比，获得的结果如表1所示。
[0045] 表1原模型与优化后的模型的性能对照表
[0046]
[0047] 注：表1中SMax为最大应力值;UMax为最大位移值;疲劳寿命=应力循环次数/损伤 值，损伤值即是图8和图18中的Dmage值。A S为最大应力减少值，A U为最大位移减少值。
[004引由表1可知，经过本发明优化后的导缆孔，=种工况下，优化后导缆孔强度比原始 结构提高了 35 %、18 %、54%。刚度比原始结构降低了30 %、-43 %、5 %，整体结构具有更好 的震缓冲性能的同时，b向的结构刚性得到提高。
[0049] 在对导缆孔进行形状优化后，导缆孔的疲劳寿命分别为1.15ei7、1.42ei7、8.95ei4 较优化之前1.0561<\5.4614、7.4866，分别提高了1.0567、2.662、1.268倍。导缆孔的质量为 24化g，较优化之前38化g，减少了37%，由此可知，本发明优化后的导缆孔结构比原始的结 构性能更优。
[0050] 本实施例中采用的导缆孔的材料为G230-450,将其替换为其他材料，其步骤均相 同，仅变换材料本身的性能参数；同时，本实施例只采用上述步骤（1)-(8)中相应分析软件 中的巧中，将其替换为相应地同类软件，例如步骤(1)中将PROE软件替换为UG或Soli抓orks， 步骤（2)将Abaqus软件替换为ansys，步骤（3)将Femfat软件替换为nsof t，步骤（4)将 Hypermesh替换为ANSA，其获得的实验效果一致。
【主权项】
1. 一种导缆孔的优化方法，其特征在于包括如下步骤： (1) 根据导缆孔的几何尺寸参数，建立导缆孔的几何模型并划分网格； (2) 确定导缆孔的受力节点，对其进行静力学分析及疲劳强度分析； (3) 对上述导缆孔几何模型进行填补、分层，进行拓扑优化分析； (4) 导出上述拓扑优化后的导缆孔几何模型，重新建立模型并划分网格； (5) 确定重新建模后的导缆孔的受力节点，进行静力学分析及疲劳强度分析； (6) 验证原模型与拓扑优化后的模型的性能。2. 根据权利要求1所述导缆孔的优化方法，其特征在于:步骤(2)中，所述静力学分析是 采用有限元软件。3. 根据权利要求1所述导缆孔的优化方法，其特征在于:步骤(2)中，所述疲劳强度分析 是采用疲劳分析软件，设置极限强度、屈服强度，创建阶梯载荷谱、导缆孔表面粗糙度、工作 温度及表面处理工艺。4. 根据权利要求1所述导缆孔的优化方法，其特征在于:步骤(3)中，所述分层是将模型 分为35~37个层。5. 根据权利要求1所述导缆孔的优化方法，其特征在于:步骤(3)中，所述拓扑优化中， 包括修改单元伪密度、约束体积分数及目标定为柔度最小。
【文档编号】G06F17/50GK106021834SQ201610654204
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年8月10日
【发明人】唐文献, 徐元潮, 李钦奉, 张建, 苏世杰, 李金泰, 刘志强
【申请人】江苏科技大学