基于有限相似方法的轴压加筋板极限强度相似缩比准则研究

在对船体结构进行相似缩比试验设计时,通常采用方向性量纲分析法。然而,传统的基于弹性理论的量纲分析法不能反映结构材料非线性过程,因而限制了其在船体结构缩比模型极限强度试验中的应用。本文基于有限相似方法,通过匹配物理空间与试验空间中的输运方程,获得结构几何尺寸、材料密度和时间的比例因子,推导得到加筋板结构缩比模型与原模型的非线性过程相似关系,分析材料参数对非线性相似过程的影响。通过开展不同缩比比例、不同材料参数的加筋板轴压极限强度数值计算,验证基于有限相似方法缩比准则的有效性。分析表明,基于有限相似方法的轴压加筋板极限强度缩比准则可以很好地体现材料的非线性特性,可以通过缩比模型结果对原模型的极限强度取得良好的预报效果。

矩形沟槽结构参数对水润滑轴承润滑性能的影响

为了研究矩形沟槽结构参数对水润滑轴承弹流润滑性能的影响,建立水润滑轴承流固耦合(FSI)分析模型,采用有限元法,通过比对轴承周向水膜压力、最大水膜压力、摩擦系数、承载力、偏位角和轴承最大径向变形等参数,阐述了矩形沟槽结构参数对轴承润滑性能的变化规律。结果表明,沟槽宽度或深度越大的轴承,其承载性能越差。通过合理调整沟槽的宽深比,可以有效地改善轴承的润滑状态。在相同流水槽总断面积下,沟槽宽深比过大或过小均不是轴承弹流润滑的最好状态,沟槽宽度对轴承承载性能的影响要高于沟槽深度对轴承的影响。

船舶加筋板与点阵夹层结构三点弯曲性能对比研究

通过实验、数值方法对船舶加筋板和点阵夹层板的三点弯曲性能开展研究。首先,通过3D打印制备加筋板和点阵夹层板的试件,并在力学试验机上开展三点弯曲试验。实验结果表明,点阵夹层板相比于加筋板具有更好的力学性能,在质量相同的情况下,点阵夹层板的强度相比于加筋板提高了42.86%,刚度提高了63.79%;接着利用LS-DYNA有限元软件建立加筋板和夹层结构的三点弯曲有限元模型,对三点弯曲实验过程进行模拟,结果表明数值模拟与实验结果具有良好的一致性,数值方法可以用于船舶点阵夹层板设计。

考虑船外板附着冰情况下的船冰碰撞累计损伤研究

采用数值模拟方法对极地商船与大块区域碎冰碰撞产生的冰载荷累计损伤展开研究,利用元胞自动机随机生成区域碎冰,研究考虑船外板附着冰影响下的船冰碰撞的动态响应。结果表明,在考虑船外板附着冰的情况下,船外板的塑性应变与吸收能量都大幅降低,碰撞力峰值没有太大的改变,但对碰撞力的冲量大幅减少。船舶在北极航行时对于结构强度而言船外板附着冰,对船冰碰撞的累计损伤有利。

无轴泵喷叶片流激共振产生机理及其抑制

针对无轴泵喷异常高频梳状线谱噪声,本文研究了梳状线谱的产生原因及其噪声抑制特点。基于推进器实测噪声谱、振动谱梳状特征,初步定位梳状线谱与泵喷叶轮密切相关;进一步采用单向流固耦合分析方法,验证了无轴泵喷高频线谱来源于流激引起的叶轮面内2弯模态共振,并提出了一种在叶轮过流通道增设环筋以提高叶片支撑刚度的方案。流固耦合仿真及实测结果表明:带有环筋加强的泵喷叶轮对流激振动与噪声有明显抑制作用,梳状线谱噪声降幅达25.2~30.2 dB,且未向其他频段转移。

深海无人系统大长径比环肋圆柱壳结构设计与试验研究

环肋圆柱壳是深海无人系统广泛采用的一种耐压结构形式,保障其结构安全是系统研制过程中非常重要的一环。针对环肋圆柱壳的结构特征推导了组合结构重量关系式和结构参数简化估算方法,并以一种超长型深海无人系统耐压结构为例,围绕大长径比环肋圆柱壳的结构形式、设计计算、仿真分析、模型验证等开展研究。研究表明提出的大长径比环肋圆柱壳结构设计参数简化估算方法具有较好的适应性。相关计算和分析结果可以为该型深海无人系统结构设计提供技术支撑,也可以为其他类似耐压结构设计提供参考。

船用承压结构变形场混合数字孪生监测模型方法实现

[目的]旨在为实现船舶的全生命健康监测设计一种面向结构健康监测的混合数字孪生系统。可实时采集及反馈关键舱室结构的变形,从而提升航运的信息化和安全管理能力。[方法]首先,采用奇异值分解法对多组载荷形成的物理场信息进行数据压缩降维得到特定的标准正交基,创建基向量与载荷关系的响应面模型,输出基于实时输入载荷的有限元降阶模型。其次,采用基于地统计学的克里金插值算法,按照特定拓扑结构布点,将实时的传感器数据和降阶模型输出的补充点位数据经由卡尔曼滤波算法进行融合修正,共同计算监测对象的变形情况。最后,通过构建变形监测软硬件系统,实现监测物理特性的采集到可视化的全过程。[结果]该系统在预设的载荷下,硬件采集系统能够稳定进行数据采集,配套的应用程序能够按照预期的要求进行实时可视化采集。[结论]该结构健康混合数字孪生系统满足船舶的健康监测需求,对未来船舶的高度一体化、智能化发展具有一定的参考意义。

极地船型冰区强弱构件冰载荷分配

为了探究极地船型冰区结构横骨架式次要构件(骨材)与主要支撑构件(PSM)之间连接构件处的冰载荷分配规律,提出适用于骨材与PSM间连接构件处载荷的工程实用化计算方法。基于国际船级社协会极地船级规范中的设计冰载荷,提出横骨架式构件在设计冰载作用下由骨材承载分配至PSM处的载荷的工程实用化计算方法;将《散货船和油船共同结构规范》(HCSR)中的强弱构件间载荷分配方法拓展应用于极地船型冰区骨材与PSM间冰载荷分配中,在某极地科考船舯部冰带区有限元模型外板上施加设计冰载荷,根据舷侧横骨架式典型节点的应力计算出骨材与PSM间连接构件处的冰载荷值。计算结果表明,通过数值计算得到的载荷值与采用工程实用化计算方法得到的载荷值基本一致,HCSR中强弱构件间载荷分配方法可应用于极地船型中,横骨架式由骨材承载分配至PSM处的冰载荷工程实用化计算方法有效,研究结果可为后续极地船型冰区结构连接构件结构设计提供设计输入。

桥墩倾斜方向对自浮式防撞装置防护效果影响研究

随着航道上大跨度桥梁的建设愈加广泛,其桥墩在水面附近往往具有一定的倾斜角度。为研究桥墩倾斜方向对自浮式防撞装置防护效果的影响,文章基于装备自浮式防撞装置的2种倾斜方向的桥墩与6000DWT级散货船为研究对象进行非线性有限元仿真碰撞计算,分析桥墩倾斜方向对不同航速船舶撞击下桥墩撞击力、系统能量转换、船艏结构破坏的影响。结果表明:外倾式桥墩受到撞击力更小,其防撞装置通过变形吸收能量更多、防护效果更好。研究成果可为大跨度桥墩设计与防撞装置的开发提供重要的参考价值。

边岛式上层建筑结构设计与性能分析

本文采用规范计算与有限元分析相结合的方法,针对边岛式上层建筑的结构设计、强度校核、参与总纵弯曲的有效度和边岛式上层建筑对船体总振动的影响等方面进行研究,分析不同结构设计型式和计算方法的适用性,给出边岛式上层建筑结构在设计、力学性能分析等过程中的相关建议,为其他船舶的边岛式上层建筑提供设计参考。

共同结构规范中舭部曲板作为硬角单元的适用条件研究

按照共同结构规范要求,对于船舶舭部板的船体梁极限强度和残存强度计算,规定在一般情况下应将其视为硬角单元,但未明确可以将其视为硬角单元的具体条件。本文利用共同结构规范对于曲板屈曲能力的评估方法和非线性屈曲有限元分析方法,对船舯区域和船舯以外区域的典型几何形状的舭部曲板进行了研究,得到了在共同结构规范要求的船体梁极限强度和残存强度计算中,舭部板可以被视为硬角单元的简要条件。

基于响应面法的船舶节能导管优化设计

以水动力节能装置经典伴流补偿导管为研究对象,提出利用响应面模型综合评价导管设计参数并进行优化.以导管结构特征尺寸为设计参数,建立节能导管的参数化模型.以KP505螺旋桨和节能导管耦合的水动力计算结果为响应参数,生成响应面模型.将螺旋桨效率提升比作为优化目标,将导管结构特征尺寸阈值作为约束条件,基于二阶响应面模型对导管进行结构优化设计,并对优化结果进行仿真验证,证明响应面模型的可靠性.结果表明,优化后桨-管系统的效率提升比增大了37.82%,说明利用构建的响应面模型对节能导管进行优化合理有效,可为其他类型的节能导管设计提供参考.

基于模型的船体性能数值模拟系统标准集构建方法研究

本文面向船体性能数值模拟系统数字化、智能化的开发与应用需求,聚焦提升系统开发效率与质量,研究确定了基于模型的复杂软件系统标准集构建技术路径,开展了系统开发需求分析与场景建模,以及系统视图构建,在此基础上综合考虑系统生命周期、功能实现、系统组成等不同维度,分析形成了该系统的标准体系架构,以软件全生命周期质量保证过程为例,开展各环节的标准适用性与缺项标准分析,分别构建了标准配置模型(StdV-1)和标准预测模型(StdV-2),形成了能够支撑系统开发和应用的标准集,增强了各类标准对系统全生命周期过程的规范和约束。

大跨度双层甲板在轴压载荷下的稳定性研究

针对大跨度双层甲板缩尺模型设计并开展了单轴压缩试验,分析了缩尺模型的极限承载力以及结构的崩溃特性.计及初始缺陷的影响建立数值仿真模型,将试验结果与仿真结果进行对比,分析了双层甲板模型在轴压载荷作用下的稳定性及极限承载特性.结果表明:文中研究的双层甲板缩尺模型的失效模式主要是板格屈曲变形,仿真计算得到的模型应力分布情况与试验测量的结果也基本吻合.

基于缺口应力方法的钛合金薄板焊接接头疲劳性能研究

文中对TA23薄板钛合金设计了对接接头和十字接头两种接头尺寸,开展了系列疲劳试验,得到了两种焊接接头的疲劳等级曲线.参考现有规范及学者建议的三种不同虚拟半径值0.05、0.3、1 mm,基于缺口应力评估方法对两种接头在焊趾处构建了三种不同的虚拟半径圆弧,建立有限元模型.计算对应的缺口应力,结合试验数据,拟合两种焊接接头在三种不同虚拟半径下统一的S-N曲线,分析分散带指数.结果表明:1 mm的虚拟半径更适用于TA 23薄板钛合金.

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。

大型集装箱船甲醇燃料舱结构设计

针对甲醇作为船舶替代燃料的特点,提出一种适用于大型集装箱船的甲醇燃料舱设计方案,以一艘大型集装箱船为例,采用有限元方法来验证甲醇燃料舱区域的结构强度,同时探讨燃料舱端部节点设计对船体结构强度的影响。为大型集装箱船甲醇燃料舱的结构设计提供参考。

船舶与港口装备轻量化技术的研究现状与展望

水运是中国社会经济发展不可或缺、不可替代的交通方式。作为水运的主要载体和支点,船舶和港口的发展是水运贸易的重要支撑。面向新一代航运系统“绿色化、智能化、韧性化”的发展需求,轻量化技术已成为船舶与港口装备发展的重要方向。本文阐述了船舶与港口装备的构成、运行环境与结构特点;梳理了船舶与港口装备轻量化技术的发展现状,综合分析了材料轻量化与结构轻量化的技术特征及其应用现状;结合船舶与港口装备轻量化的发展需求,展望了船舶与港口装备轻量化技术的未来发展方向。

大质量弹体冲击下带壳装药起爆特性数值分析

为探讨新型抗导弹防护结构,采用非线性动力学软件LS-DYNA,建立典型形状大质量弹体对圆柱形带壳装药结构的冲击起爆数值分析模型,计算分析了不同质量、形状与倾斜角的钨合金块体低速撞击下带壳B装药冲击起爆特性,获得了临界冲击速度,冲击起爆过程及压力变化。结果表明:弹体质量越大,装药内部形成的透射压力波影响范围越广,持续时间越长;质量在0.1~30 kg范围内,弹体冲击起爆带壳装药的性能与弹体的初始动能有关,端盖厚度为20、40、60 mm的B装药发生冲击起爆的弹体临界动能分别为250、930、1 600 kJ;弹体的临界起爆速度随倾斜角φ变化的规律受弹体形状影响,φ≤15°时,圆柱形弹体临界起爆速度最低,φ>15°时,球形弹体临界起爆速度最低。

夹芯复合材料板架强度试验及典型节点疲劳试验验证研究

[目的]夹芯复合材料在船舶结构中的应用日益广泛,为保证结构的强度特性,夹芯复合材料结构与钢质主船体之间通常采用螺栓连接,但由于孔周围的局部应力集中及连接位置的边界效应,螺栓连接位置通常为结构最危险的位置,需要进行强度及疲劳校核。[方法]针对一实尺度钢-夹芯复合材料板架结构,通过试验方法和有限元方法对板架在0.1 MPa均布载荷作用下的强度特性进行研究。通过对比试验测量与有限元计算的结果验证有限元方法的计算精度。基于有限元方法,通过结构应力等效的方式,设计两个等效疲劳试验节点,通过试验方法对钢-夹芯复合材料结构的疲劳寿命进行考核验证。[结果]研究发现,该板架结构在设计载荷下的疲劳寿命满足500万次循环的设计要求。[结论]对于大型螺栓连接结构的疲劳问题,可设计等效节点进行疲劳试验,通过结构应力等效的方式进行载荷等效。