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。

椭球形与圆柱形耐压薄壳承载特性对比研究

将水下无人潜航器耐压结构作为应用背景,为对比椭球形薄壳与圆柱形薄壳承载差异,以应力和弹性稳定性作为典型力学性能指标进行对比。基于第四强度理论,以Mises应力作为典型应力开展数值计算,同等重量下椭球薄壳应力峰值较圆柱薄壳应力峰值小4%左右。以等容积、等重量为前提,基于ISIGHT平台调用Ansys,采用NSGAⅡ优化算法开展椭球薄壳弹性稳定性优化,同等重量、同等有效容积下,椭球薄壳稳定性较圆柱壳提升1.78%~6%;仅要求同等容积时,椭球薄壳稳定性较圆柱壳最大提升约200%。研究成果可为超大潜深潜器耐压结构选型提供借鉴。

压力管道检验中耐压试验问题探讨

耐压试验是压力管道在投入使用前检验承压能力、发现薄弱环节的重要技术手段。本文对不同应用领域的压力管道耐压试验的相关规范、标准进行了分析和总结,对比了不同耐压试验方法的特点和应用场合,对风险性大且使用频率高的气压试验的危险性进行了重点分析,指出了以往研究中常被忽略的管径对气压试验危险性的影响,总结了可以有效保障耐压试验过程安全性的措施。

压力管道监督检验耐压试验研究与分析

压力管道耐压试验是为保证压力管道系统的承压强度和密封性而进行的验证符合性试验。耐压试验在暴露压力管道缺陷、检测焊接质量方面具有重要作用,进一步保障压力管道正常运行的安全性能。本文针对压力管道监督检验过程中的耐压试验进行研究分析,结合相关标准梳理了检验流程,明确了监督检验过程中压力管道耐压试验要求,并通过实际案例分析试验过程中的环境变化因素,研究结果旨在为压力管道使用单位、施工单位及检验人员提供借鉴,为制定和落实追溯性条款提供参考。

带球封头的钛合金耐压结构深海碰撞动屈曲研究

钛合金深海装备在水下作业时可能会与海山、礁石等海底固定物发生碰撞,这种在高应力状态下发生的冲击碰撞可能会对钛合金结构稳定性造成很大的影响。目前,学术界对于这种在双重载荷环境下发生的结构稳定性问题并没有太多的研究,也没有可供参考的经验公式。在钛合金材料动态力学性能试验的基础上,结合理论分析和大量数值模拟,建立在碰撞力集中载荷和均布压力共同作用下钛合金球柱组合结构的动屈曲判断准则,所得结果可以为深海装备水下航行安全性提供重要参考。

水下耐压环肋圆柱壳强度试验不确定度研究

本文基于测量不确定度评定方法,对水下耐压环肋圆柱壳强度试验结果进行了不确定度研究,建立一套适用于水下耐压结构强度试验的不确定度分析方法,给出环肋圆柱壳典型位置应力在一定置信水平下的置信区间。研究表明,对于精车加工的环肋圆柱壳模型典型位置的应力,数据测量与杨氏模量引起的不确定度最大,板厚和初挠度引起的不确定度相对较小。本文研究结果对提高水下耐压结构强度试验技术和试验精度具有参考意义。

基于自适应Kriging的耐压球壳可靠性计算方法研究

为研究耐压球壳的可靠性计算问题,提出基于自适应Kriging的耐压球壳可靠性计算方法。该方法主要包括在开展试验设计的基础上,基于有限元方法获得样本点对应的承载能力,使用自适应Kriging方法结合ERF学习函数构建结构失效方程,并在此基础上开展可靠性计算。耐压球壳计算结果表明,10个验证样本点计算结果偏差均小于0.5‰,该方法具有较高精度和计算效率。基于计算结果提出在开展自适应方法建立Kriging模型过程中,学习函数的收敛指标应随着计算方法的精度进行适当地调整的结论。研究结果可为无失效方程结构的可靠性计算提供参考。

高模量碳纤维复合材料深海耐压壳体结构设计及试验

基于理论公式开展了千米级深海耐压复合材料等截面圆筒计算,在等截面圆筒设计壁厚的基础上,结合有限元仿真开展了轻量化环肋加筋耐压壳体结构优化设计以及千米级深海复合材料耐压壳体的结构稳定性和强度分析,最后通过静水压试验对所设计复合材料耐压壳体进行了考核验证。研究发现,对于环肋加筋复合材料耐压壳体,其失效模式为环向失稳破坏;增加环筋数和增厚蒙皮可以增加耐压壳体的承压能力,相比于增加蒙皮厚度,增加环肋数量对压强质量比的提升更为明显;复合材料铺层的纵向弹性模量对于耐压壳体的承压能力影响显著;由于复合材料生产过程中难以避免的初始缺陷,环肋加筋复合材料耐压壳体的爆破压强应在有限元解基础上进行修正,根据本文试验结果,修正系数建议取值范围为0.5~0.7。

基于响应面方法的UUV耐压舱结构优化

为了提高无人水下航行器(UUV)耐压舱综合性能,平衡结构质量、结构强度和内部空间之间的矛盾,以柱状舱体外形结构参数为设计变量,通过拉丁超立方采样方法(LHD)得到试验样本点,根据耐压舱结构有限元分析结果,构建了具有较高拟合精度的二阶响应面耐压舱近似模型。以结构质量最小、有效体积最大和极限应力最小为目标函数,建立了优化数学模型,采用第二代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行求解。优化后的舱体质量相比于初始方案降低了14.01%,达到了减重目的,并改善了环肋结构尺寸,减少了最大应力。以上研究结果可为UUV的耐压舱体结构优化设计提供参考,上述研究方法同样适用于UUV其它零部件的优化设计。

无人潜器耐压壳体选型与承载特征规律研究

[目的]以无人潜器耐压结构轻量化设计技术为背景,以圆柱壳段为对象,开展典型材质耐压柱壳段承载特征规律研究。[方法]首先,根据耐压壳力学特性,分析得出5种典型材质耐压壳段的承载规律和最优临界承载设计值(同时发生应力强度失效和稳定性失效);然后,基于工程需求,进一步探讨不同潜深时各典型材质耐压壳段的承载特性。[结果]结果显示,随着潜深的增加,壳板的失效模式将由稳定性破坏逐渐转变为强度破坏,最优临界承载设计值与材料属性有关;考虑承载效率等因素,在进行圆柱形耐压壳体材料选型时,300 m潜深范围内应选用铝合金壳体,300~600 m潜深范围内宜选用钛合金和玻璃纤维复合材料壳体,600~1000 m潜深范围内建议选用钛合金和碳纤维复合材料壳体,1000~3000 m潜深范围内的最佳方案则选用碳纤维和硼纤维复合材料壳体。[结论]所做研究可为不同材质无人潜器耐压壳体材料选型提供依据。

基于协同优化的耐压柱壳多学科多目标优化

为提高耐压柱壳的设计效率和结构性能,本文基于多学科设计优化思想,进行了耐压柱壳多学科设计优化的学科分解,确定了耐压柱壳多学科优化设计的设计参数,明确了设计变量间的耦合关系,设计了耐压柱壳参数化分析流程,进行了设计变量灵敏度分析。在利用响应面模型建立了具有较高拟合精度耐压柱壳近似模型的基础上,以质量排水量比和极限载荷为目标函数,建立了基于协同优化方法的耐压柱壳多学科多目标优化模型,在确定了系统层和学科层的优化求解方法基础上,设计了基于协同优化的耐压柱壳多学科多目标优化框架,进行了优化的求解工作,得到了优化方案。与初始方案的对比表明:所得到的Pareto解集中,部分方案在2个目标函数上均得到了优化,验证了优化框架的有效性。

CFRP缠绕周向内波纹耐压壳铺层优化设计

[目的]为顺应深海潜航器耐压壳结构轻量化、高强度的发展趋势,提出碳纤维复合材料(CFRP)缠绕铝合金周向内波纹耐压壳的结构增强方法,并对其CFRP铺层方式进行优化设计分析。[方法]利用ABAQUS有限元仿真软件,通过改变CFRP铺层参数,根据复合材料层的层间应力分布情况,探究14层CFRP铺层下最佳缠绕角度,进而获得最佳铺层方式。并结合相关强度失效准则,对其强度进行校核。[结果]研究结果表明:CFRP增强周向内波纹耐压壳最优缠绕角度为40°,在铺层方式为(±40°2/±55°2/±70°2/90°2)时,层间应力分布较为均匀。该结构的强度满足实际使用需求,且其质量更轻。[结论]该结构可减轻深海耐压壳整体质量,推动深海耐压壳设计向轻量化方向发展。

多耐压壳体结构振动传递控制技术研究

相对单耐压壳体,由于多耐压壳体通过舷间连接结构相互耦合,受激励耐压壳体向临近的舷间结构/舷间声介质、临近耐压壳体、轻外壳等主构件传递振动,总体上呈现多路径相互叠加的树形结构,传递路径复杂。采用数值方法,通过建立多耐压壳体有限元模型,基于多耐压壳体耦合特征,分析振动传递路径上基座、激励位置、舷间结构等相关参数对多耐压壳体声学特性影响,从传递路径上开展针对性的结构声学噪声控制技术研究。分析结果可为多体结构的工程设计和振动噪声控制提供有效参考。

深海全通透耐压结构有限元分析

在深海资源开发和发展深海技术的背景下,我国完成了载人潜水器的谱系化建设。近年随着对水下观测需求的增加,全通透载人潜水器引起广泛关注。本文基于有机玻璃试件压缩试验的结果,在LS-DYNA软件中建立有限元模型,通过试件模拟失效模式与试验结果对比,对典型的全透明深海耐压载人潜水器的失效分析进行敏感性研究。在准静态外压下进行极限强度分析之前,进行一阶线性屈曲模态分析以模拟初始几何缺陷。对有机玻璃载人潜水器的耐压壳失效形式和极限载荷进行分析,采用有限元分析方法,研究特定厚度半径比的有机玻璃载人潜水器的临界载荷,为其制造提供技术指导。

环肋布局对钛合金圆柱耐压壳内爆过程的影响研究

环肋圆柱壳是深潜器耐压结构的主要形式,但由于极限承载能力和振动特性的需求,存在不同的环肋布局形式。为探究环肋布局对钛合金圆柱耐压壳内爆的影响,基于任意拉格朗日欧拉方法开展数值研究。首先对比试验结果验证液-固-气三相流固耦合数值模型的准确性。然后分析3种环肋布局下圆柱耐压壳水下内爆过程中的结构动态响应、冲击波传播以及能量演化等特征。结果表明,环肋均布时,内爆中心由筒体中部向一端移动。而中部和端部加强时,内爆中心由环肋稀疏位置向密集位置移动,结构动能均存在显著的二次波峰现象。此外,中部加强能有效降低最大冲击波峰值。通过对环肋圆柱壳内爆响应特性的分析,对深海耐压结构的设计具有重要的工程意义。

深海全通透耐压壳蠕变分析

有机玻璃(polymethyl methacrylate, PMMA)是一种透明高分子化合物,具有透明性好、耐腐蚀、重量轻、机械强度优异等优点,可作为全通透潜水器耐压壳体材料的候选材料。PMMA是一种黏弹性材料,当经受长时间的外界高压作用时,由PMMA制成的耐压结构可能发生蠕变,导致其承载能力下降。本文对PMMA耐压壳体进行了有限元分析,基于温度相关的时间硬化蠕变模型,获得了壳体的蠕变变形,并研究了不同类型无开孔和有开孔的耐压壳体的蠕变特性,分析了不同压力和温度下PMMA耐压壳体的应变-时间曲线和位移曲线。分析结果将为大深度载人潜水器全通透耐压舱的设计提供理论参考。

一起220kV电力变压器线端交流耐压试验击穿故障

本文介绍了一起因静电环引线缺陷导致的220kV电力变压器在进行出厂线端交流耐压试验时的击穿故障。阐述了故障检查情况,根据试验方案及产品结构进行了三维仿真、绝缘裕度计算,并根据检查现象和三维仿真、绝缘裕度计算结果对故障原因进行了分析。最后介绍了修理方案,并提出了后续类似结构产品的改进措施。

深水爆炸作用下耐压圆柱壳的稳定性研究

采用有限元软件ABAQUS,基于国军标标准建立典型耐压圆柱壳有限元模型,研究其在深水水下爆炸作用下的毁伤特性。首先计及静水压力的影响,采用特征值屈曲和非线性屈曲方法对耐压圆柱壳的稳定性进行分析,在此基础上计算水下爆炸载荷作用后的耐压圆柱壳模型的剩余强度,并分析药量、爆距等因素对结构剩余强度的影响。研究表明:静水压力作用下,耐压圆柱壳的失稳会沿着初始变形处展开,且内环肋圆柱壳的承载能力优于外环肋圆柱壳;水下爆炸载荷一旦对耐压圆柱壳造成塑性毁伤后,其结构稳定性会大幅度降低。

游离硼含量对空心玻璃微球耐压性能的影响

本实验通过将产品耐压性能不同的两组相同工艺制备的空心玻璃微球产品进行理化分析,分别对析出液进行电导率测试,对产品及析出液进行电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)和X射线光电子能谱(XPS)测试。测试结果表明,成分、粒径、密度方面相同的两种样品,ICP测试反映出HGM2析出液中游离硼元素比HGM1高8.6%,XPS测试反映出HGM2样品B/Si峰面积比HGM1少13%。表明在两组空心玻璃微球样品的结构中,硼元素参与玻璃化成键越充分,产品的耐压强度越高。而在水溶液中析出的含量可以作为反映产品强度性能的检测点和评价指标。本实验为空心玻璃微珠的制备工艺改进和应用工艺开发提供了理论依据。

磁性液体密封耐压能力参数化分析

针对某型飞机磁性液体密封,利用COMSOL有限元分析软件建立不同结构参数的磁性液体密封模型,计算不同密封间隙、极齿宽度、极齿高度、极齿位置、极齿形状下密封的磁场强度差值,进而判断不同磁性液体密封结构的耐压能力。研究结果表明:密封间隙、极齿宽度对磁性液体密封耐压能力影响较大,极齿高度和极齿位置对磁性液体密封耐压能力影响较小;极齿形状为梯形时密封效果最好。通过比较分析,选择最优磁性液体密封结构参数,为磁性液体密封耐压能力研究提供了理论依据。