外置式耐压液舱实肋板拓扑和开孔尺寸优化

[目的]为了简化建造工艺和减轻液舱结构重量,对外置式耐压液舱实肋板结构进行拓扑优化和开孔尺寸优化设计。[方法]首先,利用Hyperworks/Optistruct对外置式耐压液舱整体模型进行结构应力分析。然后,在拓扑优化中,除与液舱壳板和耐压船体壳板相连的约100 mm长条状范围外,以实肋板其他范围内的单元密度为设计变量;以与实肋板相连的液舱壳板和船体壳板上结构的典型应力及实肋板体积分数为约束,以实肋板上最大Mises应力最小化为目标,针对满载和空舱两种工况,利用商用软件Hyperworks/Optistruct对实肋板结构进行拓扑优化。最后,基于Matlab和ANSYS联合优化,以实肋板上von Mises应力和剪应力为约束,以相应结构重量极小化为目标,对实肋板开孔进行尺寸优化,从而得到精细化开孔方案。[结果]拓扑优化结果表明,外置式耐压液舱实肋板开减轻孔应集中在中、下部。开孔尺寸优化结果表明,相比初始方案,实肋板剪应力增加38%,其他关注区域应力相当时,内部实肋板上结构重量可降低19%。[结论]两类优化设计均表明,外置式耐压液舱实肋板开减轻孔应集中在中下部,且从下到上开孔面积应逐渐减小。

内外置耐压液舱结构力学特性分析

为研究内、外置式耐压液舱结构的力学特性,采用有限元方法分别对内、外置式耐压液舱结构进行计算,并对计算结果给出合理解释。结果表明,在空舱工况、结构尺度及板厚等基本相同的情况下,耐压液舱内置于耐压船体对舱段的应力状况有利,但耐压液舱内置会出现明显的应力集中状况,进而导致极限承载能力的下降;内置式液舱由于实肋板板宽及开口较大,导致其实肋板稳定性要远低于外置式耐压液舱;与此同时,耐压液舱内置带来的施工难度增加及艇内空间上的限制也应该充分考虑。

耐压液舱极限承载能力的影响因素分析与匹配设计

[目的]旨在讨论相同的强度储备裕度条件下耐压船体与耐压液舱极限承载能力之间的关系,以获得二者极限承载能力相当的匹配设计。[方法]首先,以典型的外置式耐压液舱为研究对象,在评估耐压液舱初始结构方案稳定性与极限承载能力的基础上,分析液舱壳板厚度、液舱实肋板厚度以及液舱横舱壁结构对耐压液舱极限承载能力的影响;随后,适当调整初始方案,获得耐压船体与耐压液舱强度储备裕度相当的设计方案,并在此基础上讨论耐压船体与耐压液舱极限承载能力之间的关系,进一步加强耐压船体,获得匹配耐压液舱与耐压船体承载能力的方案以及对应的强度裕度。[结果]结果显示,减薄液舱壳板30%、液舱实肋板33.3%及液舱横舱壁30%,其极限承载能力将分别降低16.5%,36.4%和0.17%。[结论]研究表明在相当强度储备裕度条件下,耐压船体的承载能力远低于耐压液舱的承载能力;在耐压液舱壳板的强度储备裕度约为25%、耐压船体壳板的强度储备裕度约为40%时,耐压船体与耐压液舱的极限承载压力大致相同。