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。

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。

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。

基于近场动力学的船用钢受破片冲击研究

为了研究船用钢在非接触式爆炸产生破片冲击下的相关响应模式,更好地提高舰船船体抵抗破片冲击能力,基于近场动力学方法对船用钢受立方体破片冲击的工况进行研究。首先,结合近场动力学理论改进损伤数指标,建立符合船用钢材料规范的船用钢受立方体破片冲击模型;其次,对船用钢在受到不同速度和冲击方式的立方体破片冲击的工况进行物理冲击试验和近场动力学数值模拟,结合数值模拟后的优化损伤图和物理冲击试验后的失效图分析各工况下钢板的失效模式,同时选取船用钢被贯穿失效后的应力图进行各贯穿阶段应力变化分析;最后,使用无量纲法结合线性回归法分析船用钢受破片冲击的临界贯穿速度影响规律。在破片冲击方式对船用钢影响程度方面,立方体破片以棱边对船用钢冲击的工况中钢板损伤程度比以面和尖角冲击的工况分别高出44.6%和29.9%;在破片临界贯穿速度影响规律研究方面,分别得出误差率小于4%的立方体破片以棱边、面、尖角冲击钢板的极限贯穿速度经验公式,并得出在同样条件下立方体破片以棱边对船用钢冲击所需临界贯穿速度最小。采用该近场动力学方法进行破片冲击船用钢的数值模拟研究具有高适用性和准确性,在对船用钢板强度分析时应注重研究立方体破片以棱边冲击钢板的工况。

B型独立LNG燃料舱结构设计中的一些问题

综合考虑B型LNG独立舱围护系统、结构特性、支撑特点、制造安装以及船级社的具体要求,针对LNG燃料舱结构设计过程中遇到的有关温度场、各工况下低温变形、低周疲劳、振动及生产制造等技术问题展开讨论,以期更好地解决此类问题,设计建造出更安全可靠的B型燃料舱。

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。

水压载荷作用下正交各向异性圆柱壳自由振动分析

复合材料圆柱壳质量轻、力学性能好,在水下无人潜航器(unmanned underwater vehicle, UUV)的耐压壳方面具有广阔的应用前景,掌握其在水压载荷作用下的声振特性对UUV的声隐身设计至关重要。本文基于Flügge圆柱壳理论,采用波传播法,开展了在水压载荷作用下的正交各向异性圆柱壳自由振动研究。运用牛顿迭代法求解水下正交各向异性圆柱壳的特征频率,并通过与COMSOL有限元仿真对比,验证了理论模型的正确性。结果表明,浸没圆柱壳受流固耦合与水压载荷共同作用,特征频率减小,模态振型发生改变。本文还对圆柱壳进行参数化分析,系统研究了薄壁圆柱壳的长径比、厚径比以及材料参数对圆柱壳特征频率的影响规律。本文的研究结果为UUV耐压壳水下声振特性分析提供了理论依据和数据参考,对UUV声隐身设计具有重要意义。

复合材料多层圆柱壳振动和声辐射问题研究进展

鉴于复合材料优良的力学和声学性能,将其用于潜艇结构已成为未来的发展趋势和研究重点。而圆柱壳作为潜艇的主体结构形式,针对复合材料多层圆柱壳的振动和声辐射问题的研究已广泛开展。在满足水下承载能力的前提下,复合材料耐压圆柱壳趋于中厚壳,甚至厚壳,沿壳体厚度方向的横向剪切变形、压缩变形、截面翘曲变形不可忽略,这些因素直接决定了横向振动位移场描述的准确度,会进一步影响壳体周围声辐射场预报的准确性。现有的壳体理论主要有经典壳体理论、一阶剪切变形理论、高阶剪切变形理论、分层理论、锯齿理论和三维弹性理论等,这些理论发展比较成熟,但大多研究仍局限于正交各向异性薄壳结构的振动问题,涉及各向异性材料厚壳结构的声辐射研究较少,且目前对于这些壳体理论在复合材料圆柱壳的振动和声辐射问题的适用性方面缺乏系统的总结和研究。本文首先从复合材料的刚度特性出发说明其振动和声辐射问题求解的复杂性,然后从横向振动位移场的角度综述了这些理论的发展过程、研究现状以及各自的特点,最后给出了这些理论的适用范围和使用建议,并提出了有待进一步研究的问题,以期为复合材料多层圆柱壳结构的设计和振声性能分析提供参考。

中空细长圆柱壳内爆机理及其诱导链式失效研究

本文采用耦合欧拉-拉格朗日(CEL)方法模拟深海中空细长圆柱壳在外压作用下的内爆。通过试验数据对数值计算结果进行校准,得到内爆过程中壳体和周围流体的响应,揭示多个壳体并排布置时的流固耦合机理。计算结果表明:圆柱壳内爆是一个瞬态高能动力事件,在内爆过程中,周围的流体高速涌向壳体,导致压力分布发生空间变化,进而导致相邻壳体发生预变形,这种变形增加了壳体失稳的可能性;此外,内爆壳体内表面一旦发生接触,就会导致高速流动流体撞击壳体外表面,流体动量的瞬时变化会产生向外辐射的脉冲波,且压力脉冲峰值远高于环境压力,这将使邻近壳体进一步发生变形,从而诱发链式内爆反应。

基于曲柄连杆传动的舱口盖启闭装置多体动力学仿真

舱口盖启闭装置是保证舰船安全的重要分系统,其运动控制技术是实现船体水密和装甲防护等功能的关键。本文基于多体运动学和动力学理论分析,建立曲柄连杆结构舱口盖启闭装置的动力学仿真分析模型,进而结合各种海况下的经验方程对舱口盖进行受力分析,计算得到了装置中曲柄连杆机构各个部件在开关盖过程中的支反力、转矩以及输出功率等参数,为曲柄连杆传动模式的舱口盖启闭装置结构优化及电机选型提供理论依据。

无损检测在内河船舶焊接中的实际运用

伴随信息技术的发展和硬件设备的更新,无损检测作为一种重要的质量检测手段,在船舶制造和维护中的应用日益深入。本文着重探讨无损检测在内河船舶焊接中的实际应用,包括其原理、方法、技术和特点。首先对无损检测在船舶焊接中的应用意义进行探析,随后对无损检测在船舶焊接中的实际运用进行分析,最后制定了无损检测在船舶焊接中的应用策略,旨在为无损检测在船舶焊接中的应用提供参考。

水下近场爆炸载荷作用下船底结构能量分析

本文基于普通拉格朗日欧拉(CEL)耦合法研究水下近距离下不同炸药量爆炸对舰船底部分段结构的能量分布情况及能量耗散情况,给出了船底分段结构在水下近场爆炸载荷作用下的计算方法。研究发现,炸药能量与炸药质量成严格正比关系,随着时间的增加不同工况下炸药耗散的能量基本相同,作用到船底分段结构的能量与炸药量呈正比的关系。被爆结构相同,炸药形状大致一致时,耗散到空气中的能量与炸药的质量呈严格线性关系。

加肋锥—环—柱结合壳试验研究

加肋锥—环—柱结合壳是柱壳与锥壳连接的一种新型的、优越的结构形式,它能大幅降低锥、柱壳结合部的应力峰值,提高承压能力,结合部结构重量较现在采用的加强结构重量小,最大应力不出现在结合部焊缝上。文中展示系列模型试验结果,通过比较分析,验证加肋锥—环—柱结合壳的优越性,验证课题组提出的计算加肋轴对称结合壳应力和稳定性的"分区样条等参元方法"和"ARSASS"程序的正确性。

凹型加肋锥—环—柱结合壳强度的模型试验研究

为考察凹型加肋锥—环—柱结合壳的力学行为,设计制作了3个凹型加肋锥—柱/锥—环—柱结合壳系列精车模型,采用分区样条等参元方法对它们进行了应力计算。分别对3个模型进行了静水外压试验,测量其应力,计算应力与实测应力吻合较好。模型试验和计算结果表明,凹型加肋锥—环—柱结合壳能有效降低锥、柱壳结合部的应力峰值。通过对模型试验结果的分析,得出了一些对指导凹型加肋锥—环—柱结合壳结构设计有实用价值的结论。

单侧触水复杂形状薄板的自由振动特性分析

[目的]旨在研究单侧触水弹性边界下复杂形状薄板的自由振动特性。[方法]选取包络复杂形状薄板域的矩形域并将薄板位移用矩形域内的改进傅里叶级数表示,结合Rayleigh积分建立表面声压和薄板位移的关系,并将积分式转换到局部极坐标中以避免奇异性,针对局部极坐标中该变限积分中的边界曲线难以获得显式表达式的问题,用“以直代曲”的方式处理结构边界曲线以简化Rayleigh积分,基于能量原理建立了分析单侧触水复杂形状薄板自由振动特性的半解析方法。[结果]给出了单侧触水矩形薄板、圆形薄板和一些复杂形状薄板的算例,与有限元及文献结果对比验证了该方法的收敛性和准确性,并讨论了弹性边界对薄板附加虚拟质量增量因子(added virtual mass incremental,AVMI)的影响规律,各阶AVMI因子在边界位移弹簧无量纲化刚度为103附近出现最大值,此时结构受流体影响相对最大。[结论]该方法适应性较强,计算效率较高,揭示了流体中复杂形状薄板的自由振动规律,具有一定的工程指导意义。

船体横框架的最优可靠性设计

本文根据结构系统可靠性分析和最优化设计原理,结合船体横框架结构的特点,提出了一种考虑复合载荷效应的船体横框架结构系统的最优可靠性设计方法,开发出了通用设计程序。通过实例设计,与传统的优化设计相比较,由于科学地处理了外载荷及结构抗力的不确定性,结构系统的总重量可进一步减轻,并验证了此设计方法的可靠性与通用性。

考虑实测初挠度、厚度和残余应力等缺陷的耐压球壳极限承载力分析

由于其优良的承压性能,球壳常被用作深海设备的耐压结构,而耐压球壳极限承载力计算是球壳结构设计过程中的重要环节。文章在非线性屈曲分析有限元法的基础上,提出了考虑实测初挠度、厚度和残余应力的极限承载力计算方法,并加工了直径1000 mm的耐压球壳进行了试验验证。结果表明:经过冲压、焊接等工艺制造的球壳具有明显的初始缺陷,计算过程中必须考虑极限承载力;残余应力中影响极限承载力的主要因素是压应力成分;基于实测数据的非线性屈曲分析方法计算结果与试验值接近,且能够粗略预报结构破坏位置,具备一定的适用性。

加肋锥-环-柱结合壳连接分段极限承载能力分析

为研究初始几何缺陷对加肋凸型锥-环-柱结合壳连接分段极限承载能力的影响,参考现行规范对初始几何缺陷的要求,设计了初始几何缺陷的不同组合作为计算方案。建立了含不同初始几何缺陷形态的锥-环-柱结合壳连接分段模型,采用弧长法,分析连接分段的极限承载能力及破坏形式,并探讨了几何修正系数Cg的计算方法。结果表明:不同形态的初始几何缺陷对连接分段极限承载能力的影响有所区别;含加肋凸型锥-环-柱结合壳连接分段的极限承载能力几何修正系数可参考本文结论。

基于径向基神经网络模型的耐压壳6σ设计

为了得到更可靠的潜水器耐压壳结构,考虑到材料性能和加工时结构尺寸误差的不确定性对结构性能的影响,将6σ设计的思想引入耐压壳优化设计.借助多学科优化平台iSIGHT,对耐压壳进行6σ分析的优化设计,得到优化且可靠的设计方案.为减少6σ优化设计中的计算代价,采用足够精确的径向基神经网络模型代替ANSYS仿真程序进行迭代.结果表明,在保证计算结果足够精确的前提下较大节省了计算时间.

加肋圆柱壳结构噪声的能量流传播

本文运用结构振动的波动方法对加肋圆柱壳中的能量流传播进行了研究 ,考察了肋骨参数的影响。数值结果表明 :环肋截面的宽度对低阶周向模态的低频波影响不大 ,环肋截面的高度对n=1阶周向模态的低频波的影响不大 ,对高阶周向模态的低、高频波的影响都很明显。环肋截面的高度越大周向模态阶数越高 ,入射能量流被反射的量就越大。