【接(一)】

摘要：本文主要研究潜艇舱段的变形问题以及舱段中基座的优化问题。应用有限元软件HyperMesh建立潜艇舱段的有限元模型并利用求解器OptiStruct进行静力学分析，进而得到舱段的变形结果。然后从潜艇舱段中分离出基座作为子模型单独进行优化分析，并提取相应节点的位移值作为基座的位移边界条件，采用OptiStruct求解器对基座进行拓扑优化，最终得出了满足结构强度及刚度要求下的轻量化基座结构的优化模型。

3、基座优化

  由图4可以看到，在潜艇舱段中部有两个基座，为降低基座重量，对基座进行拓扑优化，找出最佳的材料分布。由于基座和艇体相连，因此施加边界条件时需要考虑艇体对基座的影响，这些就需要采用子模型技术。
 
  1).子模型技术
  子模型通常是用来在原模型基础上获取更为精确结果的一种方法，即从分析模型上截取部分区域，对该区域的网格进行细化后进行二次应力分析，得到更为精确地结果。子模型方法又称切割边界位移法或特定边界位移法。切割边界就是把子模型从整个较粗模型分开的边界，粗模型在切割边界上的计算位移通过插值可得到子模型的位移边界条件。

  严格来说，HyperMesh中并没有子模型技术，但HyperMesh可以提出节点位移，然后施加到原有节点上作为位移边界条件，但比起子模型方法，该方法无法为子模型的边界提供插值位移边界条件，因此子模型网格的细化需要在原有网格的基础上进行，原有节点必须保留，否则将丢失位移边界条件。

下面具体阐述如何分离子模型并提取位移边界条件。
  设置结果文件为.op2格式，文件:Analysis>>control  cards>>OUTPUT>>OP2，重新提交计算，保存计算结果。删除除基座外所有单元，然后提取节点位移：Post>>Free Body>>Displacement，选择粗模型计算的结果文件，然后选择切割边界上的单元和节点，点击 Accept，可得到切割边界上的位移边界条件。然后选择2D>>split>>plate elements>>split all sides 选择所有单元，点击split，网格加密一倍，同样方法可使网格继续加密一倍。子模型的有限元模型如图5所示。
  由图5我们可以看到，基座的设计偏于保守，设置了过多肘板，我们对基座肘板做如图6所示的调整：

  2).拓扑优化  
  目标函数:质量最小  
  设计变量:基座腹板
  面板垂向最大位移:1.5mm
  约束条件:腹板水平方向最大位移:0.3mm
  最大应力:250MPa
  优化后基座的密度分布如图7所示。
  根据优化结果我们提出如图8所示的新结构形式。

对改进后的基座进行力学分析，应力云图和位移云图见图9、图10。

优化后基座的最大应力为249.5MPa，面板最大位移为1.162mm，腹板最大位移为0.118mm。

  3).优化前后对照
  优化前后基座的重量、应力、位移对照如表1所示：

  由表1可以看到，基座重量减轻56%，并且腹板位移、面板位移、最大应力都相应减小。

4、结论
（1）HyperMesh作为一款针对有限元主流求解器的高性能前后处理软件，提供了交互化建模功能和CAD/CAE 软件接口，尤其适合于结构复杂的潜艇有限元网格划分。
（2）采用HyperWorks 软件对潜艇舱段的结构强度和变形进行仿真分析，得到了舱段结构应力和变形分布，较为真实地反映了潜艇的实际受力情况，其分析结果可用于指导潜艇结构设计。
（3）通过OptiStruct的拓扑优化，基座重量成功减轻56%，对潜艇设计具有重要意义。