基于计算机视觉的焊接固有应变实测方法研究

固有应变被用于大型焊接结构应力和变形预测中。本文提出一种基于计算机视觉的固有应变工程应用的简便实测方法。该方法设计了一个特殊的带小孔的定位尺,将定位尺放置在焊缝附近,通过小孔在焊缝附近打上测量标记,在焊接前后用手持拍照设备对测量点进行拍照。采用一系列图像处理算法求解标记点在定位尺坐标系中的坐标,进而计算获取焊缝的固有应变。研究结果表明,该方法有较高的的重复精度,能够满足固有应变高效准确测量的工程要求。

船舶骑冰事故下船体梁结构强度特征分析

[目的]针对船体梁与冰层相互作用后的结构强度变化问题,提出骑冰工况下船体梁结构强度分析方法,揭示相应的结构强度特征。[方法]首先,建立船体梁结构强度分析模型,并根据各分段属性建立对应的船体梁载荷分析模型;然后,在载荷分析模型中求解得到骑冰工况的浮力分布并代入结构强度分析模型中,以考虑骑冰带来的浮力变化;最后,施加重力及冰层支反力,进行结构强度计算,并分析抬升位置和抬升高度对船体梁浮力、剪力、弯矩以及局部应力分布的影响。[结果]结果显示,当船首抬升高度变化时,船体梁存在浮力与剪力不随抬升高度变化的点,该点分别位于船体梁后半段以及船中;当抬升位置位于球鼻艏时,该部位的舷侧外板更接近于垂直,不利于抵抗冰层支反力,导致高应力面积相对较大,更危险。[结论]采用所提方法能够计算船体梁结构在船首大幅度抬升情况下的结构响应,计算效率高,可初步判断危险骑冰工况下船体梁的结构强度。

基于正交异性等效的双向加筋板结构变形简化分析方法

[目的]随着船舶不断向大型化、复杂化发展,舱段级以上的船体结构有限元模型的网格数量将急剧增加,导致碰撞、冲击、接触等大型非线性力学问题均难以求解,故提出一种基于正交异性等效的双向加筋板结构变形简化方法。[方法]首先,将现行成熟的单向加筋板平面应力简化方法推广至更复杂的双向加筋板平面弯曲问题,并引入正交方向上加筋板总惯性矩与板的惯性矩之比来反映结构的正交异性;然后,将惯性矩比值代入推广所得的加筋板等效平面弯曲本构方程,以实现材料正交异性的转化,从而在力学层面上兼顾结构的抗变形能力和中性轴移轴产生中面力的影响;最后,利用有限元计算,根据不同的位移分布对四边固支加筋板的变形模式进行分类,并将加筋板实际结果与该方法及传统方法的等效结果进行误差对比分析。[结果]对比结果表明,在船舶双向加筋板结构中,该方法最多可减少84%的网格数量,且3种变形模式下的等效误差均可控制在6%以内,远低于2种传统方法。[结论]该方法的精度较高、适用范围更广、大幅了节省计算资源,可为大型船体结构非线性力学问题的直接建模仿真计算提供解决方案。

船舶主机基座系统振动分析及控制技术

船舶主机基座系统是由基座结构和控制系统等2个部分组成。在主机持续工作的情况下,产生的交变载荷会通过基座系统传递,引起船体结构振动,可能对船体结构的安全构成威胁。通过合理设计基座结构和控制系统,可有效控制船舶主机传递到船底结构的振动,以满足更高的减振要求。首先介绍船舶主机引起振动的机理和振动分析方法,详细综述船舶主机基座结构、被动控制系统和主动控制系统的减振机理和优化研究成果,并对未来的研究进行一定的展望,为船舶主机基座系统的减振设计提供有益的参考。

新型船用复合材料夹芯夹筋厚板损伤行为分析

[目的]为解决大厚度碳纤维层合板在船海领域应用难的问题,提出一种由薄板组合成型的夹筋夹芯厚板结构。[方法]首先,基于连续损伤力学理论、二维Hashin失效准则和内聚力单元技术,建立组合厚板有限元分析模型;然后,对比分析组合厚板不同方向的弯曲性能;接着,通过分析胶层和碳纤维增强基复合材料(CFRP)的渐近损伤过程,研究组合厚板在垂直筋方向弯曲过程中的破坏行为和失效机制,并讨论胶接强度对组合厚板损伤行为的影响。[结果]结果显示,相比顺筋方向,组合厚板垂直筋方向的弯曲刚度更高;在垂直筋方向弯曲过程中,筋板与面板界面处的胶层首先会出现损伤,然后在剪切力的作用下迅速扩展,最终形成界面破坏与面板0°铺层纤维撕裂相互促进的混合失效模式。胶接强度较弱时,胶层先损伤;胶接强度较强时,层合板先损伤。胶层主要承受Ⅱ型和Ⅲ型撕裂模式下的剪切作用,其中顺筋方向的剪切应力是胶层出现初始损伤的主要原因。[结论]研究新型组合厚板在垂直筋方向弯曲过程中的损伤行为,可为大厚度复合材料夹芯夹筋板在船海主承力结构上的推广应用提供技术参考。

船舶全生命周期振动噪声分析综述

在新时代船舶设计大型化、专业化、智能化和绿色化的要求下,振动噪声设计面临激励力增大、专业化需求增加、智能化要求提高和结构刚度降低等挑战。通过总结和评价船舶全生命周期振动噪声设计研究现状,按振动噪声分析、振动噪声监测评价和振动噪声控制治理的设计顺序综述船舶结构中振动噪声研究方法和研究结果,并对今后的研究进行展望,旨在为相关设计人员与研究人员提供参考,从而更好地保障船舶安全、稳定、舒适地运营。

管道结构垂向——侧向耦合管土作用机理性试验研究

钢制悬链线式立管的触地段与海床会发生频繁的相互作用,对管道的安全性影响很大。首先探索干土环境下管土作用的机理有助于更好地理解真实海况下管道—湿土作用规律。试验测试是研究管土作用最可信最直接的手段。进行了垂向及侧向管土作用机理性试验,根据土体抗剪强度验证了试验中相互作用机理与管道尺寸的无关性。研究了不同运动速度对土体反力的影响,发现运动速度对垂向及侧向管土作用均存在一定的放大效应,而垂向低速工况下放大效应不明显;接着分别研究了垂向与侧向管土作用的规律,分析了土体反力变化的成因,最后针对管土垂向—侧向的耦合效应进行研究,发现不同的垂向深度会极大地影响侧向管土作用。为后续的管道—含水土体相互作用试验奠定基础,也可为陆上管土作用相关研究提供参考与建议。

复合材料护舷实船碰撞仿真方法及防护机理

护舷在船舶碰撞中起到重要的保护作用,但目前对船用护舷的碰撞仿真方法及复合材料护舷的防护机理等相关研究较少.首先,提出一种新型复合材料护舷设计方案,基于材料力学性能测试数据,选择低密度泡沫和超弹性材料本构模型分别模拟护舷内层泡沫与外层聚氨酯.随后针对船体-护舷-码头的靠泊问题,建立多体几何模型,形成碰撞仿真方法,从能量转换的角度对护舷防护性能进行分析,证明了复合材料较橡胶护舷对船体结构的保护作用更优.最后,分别改变复合材料内层泡沫刚度、船体刚度、外层聚氨酯厚度及拉伸刚度,对复合材料防护机理进行分析.结果表明:护舷较船体结构的相对刚度是影响其防护性能的主要因素,复合材料护舷的内层泡沫为主要吸能结构,通过压缩变形吸收船体动能以降低结构响应,而外层聚氨酯主要起保护芯体的作用.

海洋拖缆平衡位形及振动特性影响因素研究

海洋拖缆地震勘探系统是海洋石油勘探的主要设备。水下拖缆在工作时受到重力、浮力、流体力和两端集中力的作用,当拖曳速度稳定时会呈现稳定的平衡位形。本文采用集中质量法对拖缆的平衡位形进行预测,研究单位长度拖缆质量、拖体质量、拖缆阻力系数、拖体阻力系数和拖曳速度对拖缆平衡位形的影响,研究发现拖缆的平衡位形可以分为“上凸”形、“下凹”形和“直线”形三类,采用理论推导讨论拖缆呈现三种平衡位形的内在机理。最终研究不同参数对拖缆固有频率的影响,揭示拖缆固有频率与平衡位形、张力和单位长度拖缆质量的关系。

船首-冰层碰撞下的船体结构变形及损伤模式演化

基于非线性有限元方法模拟船首-冰层碰撞动态过程,从船体结构吸能、应力场分布、结构变形和损伤演化等角度研究不同碰撞场景下的船-冰相互作用响应特征,总结得到碰撞角度、碰撞部位和冰层厚度等因素对船首结构吸能、结构变形和损伤模式演化的影响机理。研究结果表明:在船-冰碰撞过程中,船体外板先发生变形,随后靠前的纵骨面板和腹板倾覆、断裂;随着撞击的深入,肋板倾覆,外板剧烈弯曲甚至损伤,外板为主要的吸能构件,甲板纵骨和甲板纵桁吸能最少。

CFRP复合材料层合板胶接结构铺层方式优化

通过多岛遗传算法对CFRP复合材料层合板强度和胶接接头强度进行双层迭代优化,并研究遗传算法控制参数对优化效率和优化稳定性的影响,提出兼顾CFRP复合材料层合板强度及胶接结构强度的最优铺层方式。结果表明:CFRP复合材料层合板胶接结构的剥离极限失效载荷与拉伸极限失效载荷成正比;优化设计方法可在保证层合板自身强度的前提下,提高胶接接头连接强度约14%;在铺层角度和铺层顺序被约束的情况下,CFRP复合材料铺层纤维方向为0°的铺层越靠近胶层,连接接头极限失效载荷越大;对于较快收敛的遗传算法优化问题,应采用较少的岛数、较小的交叉率和较小的变异率以保证其优化求解的稳定性。

CEL法与ALE法在海底管土作用数值仿真中的应用

针对海底管道与海床相互作用有限元仿真中普通拉格朗日单元因大变形而畸变的问题,需要选用更合适的仿真方法。本文首先分别采用针对网格大变形问题发展出来的任意拉格朗日欧拉(ALE)法以及欧拉-拉格朗日耦合(CEL)法建立有限元模型,借助模型试验数据验证数值仿真方法的合理性,并通过网格无关性分析,确定了ALE法与CEL法适合的单元尺寸。然后分别利用拉格朗日法、ALE法以及CEL法计算了海底管道垂向与侧向土体反力,通过对比分析得出各种方法在研究海底管土作用时的优、缺点。最后进行了管土作用试验,发现CEL法能够较好地反映管土作用中的速度放大效应。

楔形船艏舷侧撞击场景下甲板结构损伤预报解析方法研究

船舶碰撞事故是威胁海上航行安全的重要隐患之一,同时,船舶碰撞后结构损伤的快速预报方法研究对于船舶抗撞性能设计与优化具有重要意义。经对单层壳船体舷侧结构遭受楔形船艏大撞深、多角度碰撞场景下甲板结构的损伤变形机理的研究;根据其结构变形模式,将甲板结构划分为四类构件并建立了各构件对应变形模式的简化理论模型,基于上限定理推导了结构抗力解析公式;该方法考虑了构件碰撞过程中的多模式损伤演化及不同构件变形时的耦合作用。通过多个碰撞场景的对比验证,提出了新的解析方法与数值结果对比良好;研究成果对大撞深、多角度碰撞场景下甲板结构损伤评估具有工程应用价值。

不同流场下含内流立管涡激振动响应特性及Coriolis力效应研究

细长结构物在海洋来流作用下会发生涡激振动(vortex-induced vibration, VIV),涡激振动是海洋立管疲劳损伤的主要诱因之一。立管实际工作过程中内部输送油气,产生惯性力、科氏力(Coriolis力)和离心力,使得立管的动力响应变得更为复杂。基于含内流立管涡激振动响应时域预报模型,分别计算了在均匀流和剪切流下含内流立管涡激振动响应,并分析了机理较为复杂的科氏力作用。结果表明:均匀外流下内流会降低立管的固有频率,增大响应幅值;剪切外流下内流会激发出更高阶的模态响应。均匀外流下,科氏力在一定区域内固定做正功或负功,分别引起均方根位移的增大或减小;剪切外流下,科氏力使得立管顶部区域均方根位移升高,中部区域均方根位移降低。内流速度越大,科氏力效应越显著。

基于ASME BPVC的船舶耐内压方舱强度评估方法研究

[目的]针对船舶耐内压方舱结构性能评估方法尚不明确、舰船通用规范要求并不完全适用的问题,开展适用于船舶耐内压方舱结构的应力分析方法和强度评估衡准研究。[方法]基于弹性力学理论分析ASME BPVC中常用的Mises和Tresca两种屈服准则,根据安全性原则确定Tresca屈服准则为适用于船舶耐内压方舱结构的分析准则;以舱壁板架为基本单元,基于ASME BPVC对船舶耐内压方舱结构进行应力分类,得到4个典型评估位置,即板格中心、板格短边中点、板格长边中点和板格角点;为减少工程计算量,基于应力线性化理论,提出板单元有限元分析的应力分量理论公式和数值计算方法;同时建立板架实体单元有限元模型,对比两种模型下结构强度评估结果。[结果]与实体单元模型准确结果相比,板单元应力分析误差基本在3%左右且板单元结果普遍偏大,结合船、核结构安全保守性评估原则,可认为基于板单元有限元模型和ASME BPVC的船舶耐内压方舱结构强度评估方法满足工程需求。[结论]所做研究可为船舶耐内压方舱结构应力分析和强度评估提供参考,对攻克核动力装置上船面临的技术瓶颈问题具有重要意义。

水下结构物与海床相互作用研究进展综述

海洋富含生物资源、矿物资源、化学资源和动力资源,并且具有极高的考古价值。随着科学技术的发展,人类对海洋的探测开发从浅海延伸进入深海,水下潜器、深海油气平台、深海打捞驳船以及深海空间站的出现和发展对深海技术提出了更多挑战。深海环境具有低温、高压、低氧和黑暗等特点,且海床易受到海流、地震和海底生物的影响发生泥沙运动和土壤液化,对水下结构物的强度、稳定性和疲劳等性能产生影响,极易造成经济和人员损失。由于深海土的性质未知,且涉及到水、土和结构物多场耦合,认识理解这个复杂的流固耦合问题具有极强的挑战。为加深人们对水下结构物与海床相互作用问题的了解,并为相关研究人员提供一定的研究思路,介绍4种常见的水下结构与海床作用场景,即海底缆线的管土作用、水下潜器坐底和抬升、沉船打捞和海土液化。分析每种场景下关注的主要问题,总结出海床对水下结构物作用过程中的2个关键力学参数,即土体阻力和土体吸力,从工程应用和科学研究2个方面梳理仿真模拟上述问题采用的方法。最后,针对不同场景的关注重点,总结目前最新研究进展,并对未来发展方向进行展望。

船体结构温度场及热应力研究

总结温度载荷对船用材料性能、船体结构温度场和热应力场的影响,以及温度载荷作用下船体结构安全性评估方法,对当前船体结构温度场及热应力场的研究现状进行综述,重点梳理沥青船和液化气船等2种持续承受温度载荷的船舶以及舱室火灾和极地航行等2种极端温度场景的结构温度和热应力场研究现状,对今后可深入研究的方向进行展望,为进一步保障船体结构安全提供参考。

高温载荷下带隔热层加筋板结构热力响应研究

隔热材料在船舶领域应用广泛,起到良好的稳定舱室温度的作用,但目前对带隔热层加筋板结构热力响应的研究较少。基于热弹性力学,采用直接热力耦合的方法对有隔热层的加筋板在高温载荷作用下的结构热力响应进行数值模拟,确定了更合理的带隔热层加筋板结构热力分析方法,研究了隔热材料的厚度、导热系数和热膨胀系数对加筋板结构温度场和热应力场的影响;计算了将隔热层覆盖区域进行绝热处理时加筋板结构热力响应结果,并与考虑隔热层的复杂模型热力响应结果进行对比分析。结果表明:有无隔热层对加筋板结构的热力响应结果有极大影响,继续增加隔热层厚度,结构的温度和应力均会增大;隔热材料的热膨胀系数在一定范围内对结构的温度结果和应力结果影响很小;将隔热层覆盖区域进行绝热处理后,结构的温度和应力有所增大,各特征点等效应力最多增大了9.42%,绝热简化模型的计算结果相对保守。研究结果可为船舶结构设计和安全性分析提供技术支撑。

振荡流下柔性立管涡激振动时域响应研究

引入受迫振动试验所得流体力系数库,采用全新的锁定判定区间及锁定准则,针对柔性立管振荡流条件下涡激振动问题提出了一套可供选择的时域预报数值方法。涡激振动流体力由瞬时来流速度及立管截面运动共同决定,相关流体力系数为无因次幅值及频率的函数。基于上述方法对某4 m立管模型不同KC数及最大约化速度的振荡流工况进行模拟,预报结果与相应试验实测吻合较好,并捕捉到振幅调制、迟滞、频率转换及高频谐振等现象。进而,对于不同KC数及最大约化速度组合的振荡流工况下立管动力响应表现出的诸多有别于定常流条件的特性,从涡激振动发生机理层面进行分析讨论并给出合理解释。最后,通过对振荡流与均匀流下立管涡激振动响应进行对比发现,在流速相当的条件下,振荡流工况的涡激振动均方根位移大于对应均匀流工况的对应值;而当最大约化速度相同时,较小的KC数对应较大的涡激振动均方根位移。

计及附加质量系数变化效应的立管涡激振动时域响应研究

针对海洋立管涡激振动问题提出了一套时域预报数值方法,引入附加质量单元,能够计及附加质量系数变化效应对立管模态分析及涡激振动预报的影响。基于上述方法对均匀流工况以及线性剪切流工况下立管模型的涡激振动响应进行分析,并与相应试验结果的均方根位移及曲率、应变及位移响应时历曲线以及响应幅值谱进行了对比。结果表明,本文模型能够有效预报海洋立管涡激振动响应,且与传统数值模型相比,本文模型预报结果与试验数据更为吻合,可以较好地体现附加质量系数变化效应对涡激振动预报较为明显的影响。