[发明专利]一种流体-结构-构件-材料耦合优化设计方法

说明书

本发明提供了一种流体‑结构‑构件‑材料耦合优化设计方法，具体包括：(1)实施材料性能计算，并获得对应性能函数；(2)基于材料性能函数构建新型结构力学模型及对应数学函数表达式，实现材料性能计算与新型结构力学模型相耦合；(3)基于新型结构数学函数表达式构建新型结构振动模型及对应数学方程，实现材料性能计算、新型结构性能分析和新型结构振动模型相耦合；(4)通过新型结构振动模型及对应数学方程将结构物理特性引入水面条件方程，并计算浮体结构水弹性响应，实现结构特性与水弹性计算相耦合。采用本发明的方法，可以实现海洋结构物的流体‑结构‑构件‑材料的一体化优化设计，提高优化设计的效率和精度。

技术领域

本发明涉及海洋结构物设计技术领域，具体涉及一种流体-结构-构件-材料耦合优化设计方法。

背景技术

传统设计中，需依海洋环境特征(水深、波高、周期等)，采用流体力学方法获得海洋结构物水弹性特性，再结合结构承载要求(例如载货量)，采用结构力学和材料力学方法进行结构设计，最后采用弹塑性力学原理进行强度校核并实施选材，以上三步分别从宏观(浮式海洋结构物可达上千米)、细观(结构构件特征尺寸多为米至厘米)和微观(材料及其微结构特征尺寸多为毫米、微米甚至纳米)角度，采用不同学科、不同理论实施，相互之间以设计指标相关关联，例如大型浮体的透、反射系数和水弹性响应、构件的刚度和质量、材料的模量和强度等，因此必须采用反复循环迭代方法实施优化设计，效率低、精度不理想。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种流体-结构-构件-材料耦合优化设计方法，提高优化设计的效率和精度。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种流体-结构-构件-材料耦合优化设计方法，包括如下步骤：

S1，实施材料性能计算并获得对应性能函数，所述材料性能计算采用细观力学方法实施，所述材料性能函数利用代表性体元数值计算基础数据获得；

S2，基于材料性能函数构建新型结构力学模型及对应数学函数表达式，实现材料性能计算与新型结构力学模型相耦合，新型结构数学函数表达式用于新型结构振动模型的构建；所述新型结构力学模型采用固体力学方法获得，所述新型结构数学函数表达式利用代表性体元数值计算基础数据获得；

S3，基于新型结构数学函数表达式构建新型结构振动模型及对应数学方程，实现材料性能计算、新型结构性能分析和新型结构振动模型相耦合；所述新型结构振动模型及对应数学方程通过结构振动解析方法获得；

S4，通过新型结构振动模型及对应数学方程将结构物理特性引入水面条件方程，并计算浮体结构水弹性响应，实现结构特性与水弹性计算相耦合；所述物理特性包括几何状态、变形特征和材料参数，所述浮体结构水弹性响应采用流体力学方法计算获取，所述流体力学方法采用势流法。

本发明的有益效果为：本发明将材料设计中各组份参数通过材料性能函数引入新型结构力学性能函数，通过新型结构力学性能函数将材料宏观性能与微细观参数引入构件计算中，利用结构振动方程将材料组份参数、材料宏观性能参数和构件参数引入浮体结构计算，通过水面条件方程则将前述参数引入水弹性计算，从而实现流体-结构-构件-材料的优化设计；本发明无需反复循环迭代，优化设计的效率高、精度好。

附图说明

图1为本发明所述流体-结构-构件-材料耦合优化设计方法流程图；

图2为本发明所述夹层型超大浮体所在流域划分示意图；

图3为本发明所述多级结构芯材示意图；

图4为本发明所述基材示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。