基于连续介质损伤力学的钛合金耐压球壳极限强度分析

本文在连续介质损伤力学理论框架下,以深海载人装备耐压球壳结构为研究对象,开展Bonora损伤模型适用性研究。首先,设计TA31钛合金加载卸载试验,依据试验结果,分析Bonora模型参数对材料应力应变响应的影响规律;随后,提出一种模型参数校准方法,依据试验数据确定TA31钛合金的模型参数;最后,将Bonora模型通过VUMAT子程序的形式嵌入到有限元软件中,开展钛合金球壳结构的极限强度分析,并与传统方法进行对比。研究结果表明,在耐压球壳极限强度分析中,引入Bonora模型可以准确模拟耐压球壳结构的失效模式和破坏压力。该模型在材料本构关系中考虑了屈服强度、抗拉强度以及最大塑性应变的影响,结构失效的物理意义更加明确,对材料性能的优化与提升具有指导意义。

水下爆炸载荷下舰船板架边界撕裂损伤相似准数研究

为研究舰船板架在水下爆炸冲击波载荷作用下的变形及破损,结合现有试验数据,采用仿真和数据拟合的方法,展开了均布载荷下板架边界撕裂损伤的相似准数研究。首先,结合理论和数据分析得出,板架边界撕裂时的初始响应速度与破坏模式密切相关,且可清晰描述板架的不同毁伤模式;进一步通过仿真得出断裂应变、板厚、长宽比是影响板架边界撕裂的重要参量;最后,基于量纲理论建立了用于判定板架边界撕裂毁伤的拟合函数,并根据战场舰船损伤实例验证了该函数的有效性。研究结果表明,基于初始响应速度和考虑断裂应变等参量的无量纲数构建板架边界撕裂毁伤判据的方法是可行的,为舰船板架的毁伤相似研究提供了参考。

基于准静态法的船体梁极限强度试验设计方法

为了应对采用传统试验法求解船体梁极限强度问题时存在的成本较高的情况,有必要在开展试验之前进行预设计。针对船体梁极限强度试验预设计问题,采用四点弯曲理论对船体梁极限强度开展试验设计,给出具体的试验工装设计方案和加载方案,并采用准静态法分析该方案在中拱状态下的极限强度。将采用该方法所得计算结果与理想状态下的数值计算结果相对比对比,结果发现误差仅为0.08%,表明该试验设计方案可靠、可行。研究结果可为船体梁极限强度试验的开展提供参考。

矿砂船强度评估的运动与加速度公式拟合分析

针对超大型矿砂船的强度评估所需船舶重心处运动和加速度计算公式的准确性问题,对比4艘超大型矿砂船实船水动力数值计算结果和散货船油船共同结构规范(HCSR)规定的船舶重心处运动和加速度计算公式计算结果,表明HCSR规定计算公式大部分不适用于超大型矿砂船强度评估,为此,对不适用的公式进行修正,得到了适用于超大型矿砂船强度评估的重心处运动和加速度新公式。

小水深下浮式风机系泊系统配件特性研究

海上风能资源远超陆地,而我国海域随着离岸距离增加,大陆架水深增加幅度减缓,针对此特点,如何优化设计适应我国海域水深条件的系泊系统是目前发展浮式风机遇到的重大难题之一。本文以5MW-OC4半潜式浮式风机作为研究对象,浮式风机采用悬链线式系泊方式,使用SESAM软件在渤海某海域40 m水深下对浮式风机进行频域和时域计算。系泊配件在单独和组合使用时分别进行参数敏感性分析,再将浮筒和配重块组合使用对系泊系统进行优化。研究结果表明:浅水条件下,系泊配件组合使用和单独使用时改变相同系泊参数对浮式风机整体响应影响规律相同,但组合使用时改变系泊参数对系泊系统性能优化的效果要更明显,组合使用时更改配重块位置参数时均值的优化差值能达到15.7%,而纵荡、纵摇以及张力响应的优化差值基本都在10%以内,因此选择合理的配件组合方式可以显著改变浮式系统的整体特性并影响系统的安全性和成本。

基于I-BESO的邮轮结构开孔耦合拓扑优化

针对传统的BESO算法无法只优化开孔,文中以邮轮甲板纵桁、舷侧和贯穿孔结构为研究对象,改进BESO算法得到适用于多工况船体开孔孔型优化的I-BESO算法.对开孔孔型迭代优化,分析多工况下多种类开孔耦合优化.开孔体积减轻比达到20.92%,满足轻量化设计目标,并且缓解应力集中,使结构应力均衡分布.

极地冰撞载荷作用下船体典型箱型结构极限强度分析方法研究

船舶在极地航行的过程中船体可能受到冰载荷的撞击,北极地区海域的温度最低可达-68℃,因此航行于极地的船舶将面临严重的冰载荷环境和低温环境.由于船体结构是典型的加筋板组合的变截面箱型梁结构,故将船体模型简化为箱型梁模型.基于LS-DYNA对箱型梁-冰碰撞的收敛性分析,在不同温度下对箱型梁-冰碰撞进行非线性有限元数值仿真,得到不同低温下箱型梁结构在冰载荷作用下的极限强度.引入冰厚、速度等敏感性参数,得到一般结论,箱型梁的极限强度随着温度的降低而升高,随着冰厚、温度的增大而增大.研究结果对低温下箱型梁-冰在碰撞的极限强度研究具有一定意义,为极地船舶船体结构的设计提供参考.

复合材料无人艇碰撞动力学数值仿真

针对复合材料无人艇碰撞损伤特性及耐撞性能优化问题,首先开展无人艇用复合材料力学性能试验研究,得到复合材料各项基本力学性能参数;在确保材料参数合理性的基础上,开展不同复合材料铺层角度下复合材料无人艇的耐撞性能数值仿真研究,获得复合材料无人艇的碰撞力、位移、加速度以及主要构件的吸能,从而确定耐撞性能较优的复合材料无人艇材料铺层方案,为分析复合材料无人艇碰撞及优化无人艇耐撞性能提供了研究基础。

集装箱船典型装载工况下的重心位置估算方法

对于集装箱船结构评估中加速度公式所需重心位置进行研究。以10艘集装箱船为研究对象,选取规范校核的典型装载工况,参照《散货船和油船共同结构规范》中的公式开展重心位置对比。研究发现,采用《散货船和油船共同结构规范》中的公式所得结果与实际值相差较大,该公式不适用于集装箱船。在此基础上,中国船级社在其《集装箱船结构规范》中提出一种新的集装箱船重心位置估算公式。另选5艘集装箱船,通过将采用该估算公式所得结果与实际值相对比,验证该估算公式合理、实用。

改进的组合夹层板水下抗爆性能分析

夹层板因其优异的抗冲击性能广泛应用于舰船防爆防撞领域.为了探究不同芯层结构夹层板水下抗爆性能,基于当前性能优异的V型夹层板进行适当改进,利用LS-DYNA软件对当前的V型夹层板和改进结构的防护性能进行分析,对变形模式、速度和加速度模式以及吸能效应进行数值模拟对比分析.经过综合分析与比较,发现改进的V-X型夹层板各方面性能都要优于传统的V型夹层板.然后分析了结构参数对改进夹层板结构抗爆性能的影响,结果表明:V-X型夹层板的面板厚度、芯层厚度对上下面板的塑性位移有较大影响,面板和芯层厚度越大,上下面板产生的位移越小,但是吸能效率逐渐降低.面板-芯层的夹角小于40°时,对夹层板的防护性能较好;芯层高度也会对结构整体的抗爆性能产生影响,经过综合比较,芯层高度为70 mm时,其抗爆性能较好.研究工作可为新型舰船的结构设计提供借鉴.

船体大开口平直空腔结构总段吊装加强方案优化

为增强船体大开口平直空腔结构总段结构强度,结合船体总段结构特点、吊码布置情况和吊装加强方案建立有限元模型,采用数值仿真模拟总段吊装,分析甲板与吊码区域的结构变形。根据预报结果对吊装加强方案进行优化,可为后续类似结构的吊装加强方案优化提供一定指导。

舰船水下抗爆U型夹层板结构改进及参数优化设计

设计相应的防护结构来降低水下爆炸冲击荷载对舰船的损伤对于提高舰船生命力具有重要意义.以U型夹层板为研究对象,对传统U型夹层板结构进行改进,提出了3种改进的U型夹层板结构.采用有限元软件LS-DYNA中任意拉格朗日-欧拉(ALE)算法分析水下爆炸冲击荷载作用下3种改进夹层板的位移、速度与加速度响应和吸能效应,并与原始U型夹层板对比找到综合性能相对最优的改进夹层板.最后通过正交试验对性能最优的夹层板进行优化,分析夹层板设计参数对抗爆性能影响的主次顺序及最优的尺寸组合.分析表明:改进的U-X型夹层板上面板位移相比U型夹层板下降了15.7%,速度下降了34.5%,芯层吸能提高了25.2%,在改进夹层板中综合性能最优;U-X型夹层板最优的尺寸组合及设计参数为芯层厚度1.5 mm、芯层高度100 mm、下面板厚度3.0 mm、上面板厚度3.5 mm.经验证,尺寸优化后U-X型夹层板质量降低了6.3%,抗爆性能也得到了显著提高.

楔形物作用下加筋板结构的耐撞性

为了预报楔形物偏心垂向准静态压载作用下船舶加筋板结构的抵抗能力,提出了新的简化解析方法,将矩形板的塑性变形区域划分为非对称的8个板块,将骨材划分为非对称的2个部分,矩形板、骨材各部分均采用直线的变形模式,从船舶碰撞内部动力学的角度,基于刚塑性理论,考虑膜拉伸作用和弯曲作用,推导了矩形板、骨材在楔形物偏心垂向作用下发生变形损伤的抵抗力与横向变形之间的简化解析计算方法.利用非线性有限元软件Abaqus的仿真计算结果对该简化解析方法进行验证.结果表明,该简化解析方法具有较高的计算精度,从而可用于船体结构设计阶段快速预报船舶舷侧结构的耐撞性能.

水下聚能金属射流载荷特性及毁伤效应研究

为研究水下接触爆炸产生的金属射流载荷及其对双层水间隔板的损伤特性。使用耦合欧拉-拉格朗日方法,通过改变圆锥型金属罩的锥角,研究锥角对聚能射流速度的影响。改变金属罩的形状,得到不同类型的聚能侵彻体,在水下模拟其对双层靶板的毁伤作用。不同的锥角影响聚能射流的作用强度,锥角为90°的金属盖能形成最佳射流形状和最大射流速度,穿透效果最好;而不同的聚能侵彻体对靶板造成的损伤各不相同,聚能射流有更强的穿透力,而爆炸成型弹丸造成更大的毁伤面积。通过改变金属罩的形状,可获得不同类型的穿透体,能够适应复杂多变的海洋和损伤要求。该研究可为水下武器的研制和潜艇的防爆、抗冲击和防护提供参考。

基于重叠网格的潜艇自航模操纵运动数值模拟研究

针对潜艇机动状态非定常运动数值模拟方法提升的实际需求,本文采用基于重叠网格的方法对潜艇六自由度耦合运动及各操纵面的独立运动直接数值建模,并利用滑移网格技术直接模拟艇后螺旋桨的转动,进行潜艇水下自航模的数值模拟方法研究。通过开展潜艇自航模水下直航、水下回转、水平面Z形操舵、紧急倒车等典型工况的数值模拟,重点解决潜艇操纵状态下艇/桨/舵水动力耦合建模、自动舵的PD(proportional-derivative)数值控制实现等问题,建立基于重叠网格的潜艇自航模数值模拟技术途径。同时对潜艇操纵状态下艇体周围流动现象以及运动学与动力学参数时历变化过程进行分析,通过将典型运动参数数值模拟结果与水池物理模型试验结果进行对比,验证其工程预报实用性。研究结果可为潜艇操纵性和适航性预报与评估以及潜艇自航模模型试验技术完善提供技术支撑。

船舶结构碰撞试验及简化数值计算方法

[目的]采用流固耦合计算方法虽能较好地模拟船舶碰撞过程,但计算时间较长,为此,提出一种简化的数值计算方法。[方法]以某船的局部舱段为对象,开展多工况水上碰撞试验。采用力传感器和基于高速摄影技术非接触测量的方法获得到碰撞力及碰撞船的运动时程数据,通过对碰撞接触力和加速度响应等数据进行分析,并针对试验过程开展任意拉格朗日-欧拉(ALE)流固耦合数值计算分析,提出将碰撞过程中水域对撞击船的影响简化为等效质量,将对被撞船的影响简化为等效阻力,以面力的形式作用于被撞船非撞击侧用以阻碍被撞船运动的简化方法,然后基于此简化方法开展不涉及水域与结构耦合过程的数值计算。[结果]结果显示,采用简化计算方法得到的各工况的碰撞力峰值与试验值间的误差均在5%以内,且该方法所需要的计算时长远小于ALE流固耦合算法。[结论]所提简化数值计算方法可为实现船舶结构碰撞响应的高效计算提供一定的参考。

复合壳体水中高静压试验及极限承载能力分析

[目的]旨在实现在水中高静压环境下对结构应变的准确测试,同时探究复合壳体在水中高静压环境下的极限承载能力大小以及不同初始缺陷的影响。[方法]首先,开展复合壳体水下高静压试验,提出基于高压防护装置的水下高静压3D-DIC测试方法,获得结构在15 MPa水压下的应变;然后,将其与有限元模型模拟结果进行对比,验证3D-DIC测试系统在水中高静压环境下的可行性以及数值模型的正确性;最后,在此基础上针对不同初始缺陷条件对复合壳体极限承载能力的影响开展仿真计算。[结果]结果显示,试验结果与数值仿真结果的平均误差为5.1%;不同模态下复合壳体的极限承载能力与添加的几何缺陷大小呈二次函数关系,其中,一阶模态下极限承载能力的变化梯度为1.48~2.12 MPa/mm,三阶模态下极限承载能力的平均变化梯度为1~4.32 MPa/mm。[结论]3D-DIC测试技术在水中高静压环境下可以对复合壳体进行准确的应变测量。在水中高静压环境下,几何初始缺陷在很大程度上影响复合壳体的极限承载能力,其中三阶模态的影响程度大于一阶模态。

考虑翘曲应力的半潜平台扭转极限强度计算方法研究

半潜平台由于结构和受力复杂,目前主要采用非线性有限元整体模型计算其扭转极限承载力,存在建模和计算时间较长、精度较差和不易收敛等问题。一方面进行半潜平台的整体有限元模型的简化研究,提高其计算效率和收敛性;另一方面基于薄壁杆件理论,将该半潜平台截面简化为单壁室截面计算其翘曲应力,提出了基于一跨模型且考虑翘曲应力影响的半潜平台约束扭转极限强度计算的简化增量迭代方法,并编制了相应的计算程序。计算结果表明,所提简化增量迭代方法计算精度较高,能很好地反应翘曲应力对半潜平台约束扭转极限强度的影响,大幅减少了计算约束扭转极限强度的时间,可用于半潜平台的设计。

基于融合和区域特征分析的船型设计开发研究

本文以某80000吨级散货船为优化对象,应用基于融合和区域特征分析的两种新船型几何设计技术,结合船舶CFD阻力和自航评估技术,开展以设计吃水下快速性能为目标的船型设计和性能分析研究。整个设计过程以参考船为设计起点,从减小船体阻力、改善兴波和艉部伴流的角度入手,分别开展船型艏部和艉部的型线自动变形设计,对比分析改型方案在同一模型尺度下的CFD数值模拟评估结果,并获得快速性能优秀的船型设计方案。最后,通过静水中的快速性模型试验,对设计工况下的收益效果进行验证,结果表明,相比于设计原型,最终优化船型在航速为14.0 kn时的实船预报收到功率下降了约5.6%。

大型舰船圆筒型水下防护结构性能分析

[目的]针对传统“空舱-液舱-空舱”三舱型防护结构重量大、防护效率较低的问题,探讨圆筒型水下防护结构的防护性能。[方法]建立基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)算法的数值模型,通过典型的结构接触爆炸算例,验证ALE算法的精度;然后在此基础上分别建立传统的三舱型防护结构和圆筒型防护结构模型,通过数值模拟分析相同药量水下接触爆炸后的应力、应变最大值以及能量吸收等特征参数,从而得到各自的防护性能。[结果]结果显示,圆筒型防护结构防御纵壁的位移小于防水纵壁的位移,这与传统三舱型防护结构的规律相反;甲板、双层底结构吸收的能量相比传统防护结构少了9.92%,具有明显的垂向抗变形优势。[结论]研究表明,圆筒型防护结构在药量相同的情况下其毁伤程度更低,可为水下防护结构的创新设计提供新的思路。