(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111394411.X (22)申请日 2021.11.23 (71)申请人 南京理工大 学 地址 210094 江苏省南京市孝陵卫20 0号 (72)发明人 王志明　张帆　肖源明　秦厚荣　 王棨　 (74)专利代理 机构 南京理工大 学专利中心 32203 代理人 汪清 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种锚机 基座及加强结构的轻量 化方法 (57)摘要 本发明提出了一种锚机基座及加强结构的 轻量化方法， 首先建立锚机基座及加强结构的左 舷或右舷模型， 将其导入有限元分析软件并划分 网格； 然后通过有限元分析软件对模 型进行静力 学分析， 以确认模型是否有优化空间； 再对具有 优化空间的模 型进行尺寸优化； 再结合尺寸优化 结果重新建模并做静力学分析， 以确认模型是否 有进一步的拓扑优化空间； 再对 具有优化空间的 模型进行拓扑优化； 最后结合拓扑优化结果重新 建模并做静力学分析， 验证结构合理性。 本发明 提出的方法能以改变构件板厚和拓扑结构相结 合的方式， 解决依靠经验对锚机基座及加强结构 进行设计带来的材料堆积问题， 可以显著降低锚 机基座及加强结构的重量， 节约成本 。 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 CN 114282302 A 2022.04.05 CN 114282302 A 1.一种锚机基座及加强结构轻量 化方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤1、 建立有限元模型： 建立包括锚机基座及加强结构的左舷或右舷模型， 将模型导 入有限元分析 软件划分网格并将加强筋简化 为1D梁单 元； 步骤2、 静力学分析以确定是否具有优化空间： 通过有限元分析软件对上述模型进行静 力学分析， 得到等效应力云图和变形云图， 校核模 型强度和刚度是否满足要求， 以确认模型 是否有优化空间； 步骤3、 尺寸优化： 对具有优化空间的模型进行尺寸优化， 尺寸优化中以质量最小为目 标函数， 以板件厚度为设计变量， 将螺栓处位移和整体最大应力不大于规范对原结构的位 移和许用应力要求设为约束条件， 提交计算进行尺寸优化； 步骤4、 重新设计模型并进行静力学分析以确定是否具有进一步的优化空间： 结合尺寸 优化后的结果对原模型结构重新设计， 并再次提交计算进行静力学分析， 校核锚机基座及 加强结构的强度和刚度是否符合要求， 以确认模型 是否有进一步的优化空间； 步骤5、 拓扑优化： 尺寸优化后的模型的设计变量为设计空间内网格单元的密度， 目标 函数为结构所有工况的加权柔度最小， 约束 条件除了和尺寸优化时相同的应力和位移约束 外， 还包括锚机基座和加强结构的体积分数应小于设定值， 经过优化得到满足刚度和强度 需求的轻量 化后的锚机基座及加强结构。 2.根据权利要求1所述的锚机基座及加强结构轻量化方法， 其特征在于， 步骤2中对建 立的模型进行静力学分析， 具体为： 首先， 将基座及加强结构实体模型导入有限元分析软件中， 定义所有结构的材料并赋 予属性， 在甲板与左舷相交处以及舱壁下端处分别添加X、 Y、 Z三个方向的线位移约束， 并在 中纵线处添加Y方向线位移约束和X、 Z方向的角位移约束； 其次计算左舷甲板上浪、 右舷甲 板上浪和45％锚链破断这三种工况下螺栓组的受力并作为加强结构模型的载荷和工况； 最 后在软件的求解器中提交计算得出结果， 校核 时位移应小于基座长度a的0.1％， 2D板壳单 元的应力应小于屈服极限σ， 1D梁单元应力应小于0.6σ； 若分析结果显示基座及加强结构的 平均应力远小于许用应力， 则认为整个模型 具有优化空间。 3.根据权利要求1所述的锚机基座及加强结构轻量化方法， 其特征在于， 步骤3中尺寸 优化的数 学模型为： 其中， M为锚机基座及加强结构质量， ti为第i个板的板厚， i＝1,2,3, …,n， n为板件总个 数， [σ ]为板单元许用应力， [τ]为梁单元许用应力， σmax为板单元最大应力， τmax为梁单元最 大应力， smax为螺栓处最大位移， a为基座长度， t代表板壳单元结构的板厚， tl代表板厚的设 计最小值， tu代表板厚的设计最大值。 4.根据权利要求1所述的锚机基座及加强结构轻量化方法， 其特征在于， 步骤5拓扑优 化的数学模型为：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114282302 A 2其中， ρj为第j个网格 单元的密度， j＝1,2,3, …,m， m为网格 单元个数， Csum为所有工况的 加权柔度， ωk为第k个工况的柔度权重， Ck为第k个工况的柔度， L代表工况数， [σ ]为板单元 许用应力， [τ]为梁单元许用应力， σmax为板单元最大应力， τmax为梁单元最大应力， smax为螺 栓处最大位移， a为基座长度， αw和αs分别为基座和加强结构的体积分数， α1和α2分别为基座 和加强结构的体积分数设定上限值。 5.根据权利要求1所述的锚机基座及加强结构轻量化方法， 其特征在于， 还包括： 步骤6 优化后模型有限元分析： 结合拓扑优化的结果， 考虑实际安装和制 造情况对模型重新设计 并提交静力学分析， 与规范要求的许用应力和位移值对比， 验证其 合理性。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114282302 A 3