外置式耐压液舱结构复杂,设计变量多,涉及到实肋板开孔,端部封板和液舱壳板加筋布局,以及壳板与加强筋尺寸的匹配等,设计难度大,仅凭经验进行设计很难得到优化结果。因此,本文开展外置式耐压液舱结构尺寸、开孔拓扑优化和加筋布局拓扑优化设计具有重要的理论意义和工程应用价值。首先,基于有限元软件ANSYS的APDL语言,用耐压液舱壳板厚度等11个设计变量和耐压液舱直径长度比等9个参变量对外置式耐压液舱结构进行了参数化表征,分析了典型方案结构的强度和稳定性,得到空舱工况比满载工况危险的结论。接着建立了耐压液舱结构尺寸优化数学模型,针对空舱工况和参数化表征中的11个设计变量,以3种不同纵骨根数和3种不同应力约束限界值下关注区域应力为约束,以整体结构重量极小化为目标,并基于Matlab编写优化主控程序,联合ANSYS求解。得到了9种不同纵骨根数和不同应力约束限界值下结构重量最轻的设计方案,并分析获得了不同纵骨根数和不同应力约束对优化结果的影响规律。然后,对耐压液舱实肋板结构进行拓扑优化和开孔尺寸优化设计。拓扑优化中,实肋板的单元密度为设计变量;以与实肋板相连的液舱壳板和船体壳板上结构典型应力和实肋板体积分数为约束,以实肋板上最大Mises应力极小化为目标,针对满载和空舱两种工况,利用商用软件Hyperworks/Optistruct对实肋板结构进行拓扑优化。接下来,基于Matlab和ANSYS联合优化,以实肋板上Mises应力和剪应力为约束,以相应结构重量极小化为目标,对实肋板开孔进行尺寸优化,从而得到精细化开孔方案。拓扑优化结果表明,外置式耐压液舱实肋板开减轻孔应集中在中下部。开孔尺寸优化结果表明,外置式耐压液舱实肋板开减轻孔从下到上开孔面积应逐渐减小,且上部不宜开孔。最后,利用商用优化软件HyperWorks/OptiStruct对端部封板和耐压液舱壳板进行加筋布局拓扑优化设计。以整个端部封板内单元密度作为设计变量,以端部封板上Mises应力为约束,以端部封板体积分数极小化为目标,进行加筋布局拓扑优化。拓扑优化结果表明,在端部封板上设置等间距的径向加强筋来降低应力的方式是正确的,且在端部封板上不需要设置环筋;之后通过工程化处理得到了较好的端部封板加筋布局方案。对于耐压液舱壳板,在空舱工况下,优化模型选取整体结构中的液舱区域部分,以主设计区上Mises应力和稳定性为约束,以主设计区体积分数极小化为目标,进行加筋布局拓扑优化。结果表明,在保证强度和稳定性水平与初始方案相比几乎不变的条件下,分区域变纵骨尺寸、变纵骨夹角和变耐压液舱壳板厚度是可取的,但是和同纵骨型号、同纵骨夹角相比,优势不大,综合考虑,在耐压液舱壳板上设置相同纵骨型号和纵骨夹角的纵骨布局方案更好。本文的研究工作为耐压液舱结构和类似结构的尺寸优化、开孔和加筋布局拓扑优化设计提供了有价值的参考。