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。

水下爆炸作用圆柱壳的冲击波绕射效应及水域压力分布研究

文中采用流固耦合数值方法计算了无反射、刚性和弹性圆柱壳在200 kg药量TNT炸药爆炸冲击波作用下水域流场压力的变化,分析了冲击波延圆柱壳的绕射现象,得出了圆柱壳附近水域压力场的变化规律.通过数值计算分析了绕射波的入射冲击波、反射冲击波、衍射波和辐射波组成;辐射波主要由结构的变形和振动引起;压力汇聚点位置,压力峰值与结构相对刚度有关;空化发生时间、产生的压力同样与结构相对刚度有关.

高温和高压下吊装孔蒸汽微泄漏特性测量的理论与实验研究

[目的]为了研究应用于核动力装置的吊装孔在事故工况下的密封性能,搭建一套能够实现蒸汽微泄漏量定量测量的实验装置。[方法]在该装置中,0.66 MPa下的饱和蒸汽被充入加压腔以模拟事故工况,泄漏的蒸汽则通过敷设了保温层的收集腔来收集,并且不会发生冷凝。实时监测收集腔内温度、湿度和压力等参数的变化情况,以推算蒸汽的泄漏率。[结果]实验结果表明:采用厚度为1.5和3.0 mm核级垫片的吊装孔模型的蒸汽泄漏率分别为13.93和11.91 g/24 h,均能满足低漏设计要求,其中,3.0 mm垫片的密封性能更优。对同种垫片和同样压力下的干空气和蒸汽测量的结果进行分析,得到的密封系数nd4十分接近,验证了实验装置对蒸汽微泄漏量测量的准确性。[结论]所提方法可推广应用于各种密封结构或压力系统,为事故工况下堆舱密封性评估提供了新的测量思路。

特厚板多层多道焊的Marc有限元模拟

厚板焊接残余应力场的影响因素众多,变化复杂,其应力分布模型的研究是此领域的难点之一,有关的试验样本尚不多见。以两块100 mm的厚板焊接为研究对象,试验模型材质为A105钢,采用埋弧焊,进行多道焊接。采用试验测量和MSC.Marc有限元模拟相结合的方法,对100 mm特厚板多层多道焊的残余应力进行对比分析研究,给出上表面横向残余应力和纵向残余应力以及厚度方向残余应力的分布曲线。有限元计算结果与试验测量结果吻合较好,证明该有限元模型的合理性。特别地,厚度方向残余应力可以通过有限元模型计算得出,解决了实际工程中厚板内部应力难得出的问题,为进一步研究特厚板焊接残余应力提供参考依据。

基于多尺度方法的复合材料加筋板极限强度分析

[目的]复合材料内部结构形式多样,深入分析组分材料的损伤机理可为复合材料加筋板的极限强度研究提供基础。[方法]首先,采用多尺度方法,对船用玻璃纤维增强塑料(GFRP)复合材料加筋板进行微观、细观和宏观的力学分析,建立短切毡(CSM)、机织粗纱(WR)材料的微观和细观代表性体积单元(RVE)模型;然后,通过微观和细观RVE模型均匀化,获得宏观等效刚度,并采用ABAQUS软件的子程序VUMAT编写复合材料渐进损伤演化模型,分别得到微观和细观模型的损伤演化机理及宏观单层板等效强度。[结果]结果显示,采用多尺度方法可以很好地评估得到复合材料的宏观力学性能;复合材料加筋板的宏观极限强度主要由纤维束的失效决定。[结论]经多尺度分析得到的宏观材料参数可以用于该材料铺层加筋板的极限强度计算,复合材料的细观力学参数化研究可为材料加工工艺影响研究提供分析手段。

浮冰作用下铝合金高速船舷侧结构耐撞性能研究

为分析浮冰载荷作用下铝合金高速船结构的耐撞机理,运用有限元软件Ls-dyna对铝合金高速船舷侧结构与浮冰碰撞开展有限元分析。为准确模拟船体局部结构承载特征,考虑了热影响区中铝合金材料软化对舷侧结构耐撞性能的影响。通过研究舷侧结构在不同位置与不同材料、形状的浮冰发生碰撞时的动态结构响应特性,揭示其变形损伤规律和能量吸收机制,得出最危险的浮冰形状和撞击位置。结果表明:选用的2种冰材料模型Mat.155和Mat.063均能较准确地模拟船-冰碰撞事故中浮冰的力学特性,均可用于对一年生浮冰的有限元分析。在一年生浮冰的撞击作用下,较钝的半球体和正方体形浮冰是最危险的浮冰形式,强肋骨位置是最危险的撞击区域。研究成果可为航行于北方航道的铝合金高速船结构耐撞性设计提供重要的参考价值。

吊装孔螺栓-法兰-垫片结构的泄漏率预测及参数优化

吊装孔是船舶舱室等设备结构的重要贯穿件之一,也是主要的泄漏源之一,因此有必要开展吊装孔螺栓-法兰-垫片密封结构的泄漏率预测和控制开展研究。将接触界面视作复杂微孔结构,基于多孔介质渗流理论确定了接触界面微孔结构及其变形与气体输运之间的定量关系,构建接触密封泄漏率机制模型。该模型综合考虑微观接触界面流动分析与宏观结构力学分析,且不依赖于实验回归系数,对非标准法兰密封结构设计具有重要指导意义。结合三维有限元力学分析,采用所提出的模型对吊装孔螺栓-法兰-连接结构的泄漏率预测,并定量分析多种因素的影响,包括螺栓预紧力、法兰宽度、垫片厚度、螺栓个数、螺栓直径等。计算结果表明:在其他条件不变的情况下,单独增大预紧力、垫片厚度或螺栓个数,可以减小高介质压力下的泄漏率,而改变螺栓直径对泄漏率基本没有影响。以最小泄漏率为指标,采用正交试验法对吊装孔密封结构进行优化设计,计算得出最优方案下的泄漏率与最大泄漏率相比下降了37%。

极端海况下复合材料高速船的结构响应与损伤研究

为研究高速船在极端海况下的安全性,基于显式有限元软件LS-DYNA,分别研究船体剖面的砰击载荷及局部结构的动态响应.采用任意拉格朗日-欧拉(ALE)算法分析高速船船艏、船舯及船艉剖面的入水砰击,确定砰击载荷作用的最大区域;再针对该区域的局部结构开展结构响应与损伤分析,探究不同加筋形式复合材料层合板的抗砰击性能.结果表明:高速船艉部及舯部砰击载荷作用的最大区域位于其底部,艏部砰击载荷作用的最大区域位于防溅条下端;帽形加筋抗砰击性能较好,能有效减小船体结构在极端砰击载荷作用下的损伤变形.