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。

圆碟形水下滑翔机耐压壳体的优化设计

圆碟形水下滑翔机是一种新型的水下滑翔机,耐压壳体则是滑翔机的重要组件。本文主要研究在不同水深下机身直径、机身高度与机身表面饱和度对耐压壳体表面变形与压力分布情况的影响。通过有限元分析表明在100~300 m水深范围内应减小机身直径,从而降低机身的最大变形量和最大应力。随着机身高度的增加,最大变形量和最大应力的变化规律是先减后增,且随着工作水深的增加,这种趋势越发明显。对于不同机身表面饱和度的圆碟型水下滑翔机,其外壳的最大变形和最大应力分布规律并不统一,机身饱和度较低的圆碟形滑翔机的综合性能较优。本文分析结果可为圆碟形滑翔机在不同深度下的外形设计提供参考。

基于船体变形数值仿真的FPSO管道应力分析

为区别于传统经验公式计算管道应力的方法,采用有限元方法计算浮式生产储卸油装置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)船体变形,提取具体管道支架的位移值,并利用CAESARⅡ软件进行管道应力计算。有限元预报得到的管道应力更加准确,而经验公式得到偏保守的结果。建议在对FPSO管道进行初步设计时可采用经验公式方法,在进行详细设计和局部管道应力校核时可采用数值仿真方法。

复合材料船体帽型加筋板弯曲应力

复合材料船体结构主要由纵向或横向加筋板架构成,定量计算弯曲应力是复合材料帽型加筋板强度设计的前提。本文利用变形协调和卡氏定理给出了复合材料帽型加筋板的横向和纵向弯曲刚度和弯曲内力,以及三点弯曲梁和均布压力作用下四边简支板的弯曲应力解析表达式。通过三点弯曲试验实测复合材料帽型加筋层合板的弯曲应力;采用ABAQUS有限元软件计算三点弯曲梁和四边简支加筋板的弯曲应力,并与解析解比较。结果表明:解析解与数值计算及试验结果吻合较好,验证了复合材料帽型加筋板弯曲应力解析表达式的正确性;该解析表达式具有较好的计算精度,可作为复合材料帽型加筋板强度设计依据。

结构强度钢质模型在主船体建筑的实验与研究

主船体建筑受到力的作用时,部分位置的结构容易出现应力集中情况,影响主船体的结构安全,针对该问题构建分析主船体建筑结构强度的钢质模型。建立包含平衡微分方程、物理方程、边界条件的弹性力学方程,分析主船体建筑结构受到载荷作用时的应力变化。分析主船体建筑结构强度钢质模型的几何相似关系,采用不同缩尺比缩放处理钢质模型与主船体建筑结构。选取大尺度钢质模型,利用Ansys有限元分析软件,构建主船体建筑结构强度钢模的有限元模型,明确主船体建筑结构强度变化。实验结果表明,所构建的主船体建筑结构强度钢模,可有效分析不同大小载荷作用时的结构强度变化,结构强度分析结果与实际强度相差较小。

船体板架纵骨错位对焊接变形及应力的影响

在船体板架的焊接工序中,由于制造误差产生的纵骨错位问题对焊接过程及焊接质量产生不利影响。以典型船体板架为例,在纵骨强制对齐的基础上采用顺序耦合的热弹塑性有限元法对其焊接过程进行数值仿真分析,研究纵骨错位量对焊接变形和应力的影响规律。结果表明,随着错位量的增加,错位纵骨两侧板格焊接变形分布的不对称性逐渐增强,左右两侧板格变形差值最大可增加3.7倍,且当错位量一定时,外板厚度越小纵骨错位的影响越大。此外,纵骨强制装配产生的应力与板架焊后残余应力均随错位量的增大而增加,当错位量为10 mm时,残余拉应力与压应力分别是纵骨未错位情况下的4.4倍与4.9倍。

基于三自由度液压小车的总段低应力调姿技术

针对液压小车在执行部分指令时球头可能会发生滑移,且现场制定的调姿指令存在局部受力不合理的问题,设计一套具备三自由度油缸协同运动能力的液压系统。对常见调姿工况进行了有限元分析,在此基础上提出保证总段低应力状态的调姿指令计算准则及具体计算方法,最终通过实验验证了该液压系统和相应调姿控制算法的可行性。

含内置式耐压液舱舱段耐压船体结构应力分析

为研究静压下内置式耐压液舱结构的力学规律,采用有限元方法对内置式耐压液舱及船体结构进行强度计算,分析了不同工况下耐压壳的变形和应力特征,比较了不同区域耐压壳的应力情况。结果表明:液舱内外相连通时的工况更危险,耐压壳应力水平也更高。同时,内置式耐压液舱的存在使液舱底部耐压壳的应力水平高于耐压壳其他区域。该研究结果可为内置式耐压液舱结构设计提供指导。

高强度钢耐压锥柱壳体焊接残余应力数值分析

高强度钢耐压锥柱壳在工程焊接过程中产生的残余应力对结构的疲劳强度有着重要影响,有必要针对这类壳体的焊接残余应力进行数值分析。在大型有限元软件ANSYS的基础上,开发了相应的焊接程序,对焊接过程中结构的残余应力进行了数值模拟,并将模拟结果与相关的理论统计和实验值进行对比分析,显示这些结果是基本吻合的。在此基础上,对高强度钢耐外压锥柱结合壳体在不同几何和焊接参数下的焊接残余应力进行了三维有限元分析,得到了若干残余应力变化规律。这些结果为高强度钢耐压壳体焊接结构的疲劳强度计算提供了可靠的依据。

双壳型船体结构稳态温度场和温度应力

用简化解析方法和有限元数值方法 ,分析了双壳型船体货舱区域在运载高温液货时的稳态温度场 ;根据船体结构的温度分布 ,用有限元法计算了其温度应力 ,同时与货物压力、海水静动压力、总纵弯矩等载荷作用下的结构应力做了比较。研究结果表明 :在货舱结构温度场分析中用简化分析方法和有限元数值方法所得的计算结果相当一致 ;高温液货大幅度增加船体结构的纵向应力和横向应力 ,同时加剧结构不连续处的应力集中 ;

高强钢锥柱结合壳焊接残余应力的数值模拟和试验研究

高强度钢在船舶生产建造过程中已得到广泛应用。高强钢的焊接常常伴随着较大的焊接残余应力,直接影响到船体结构的安全及使用寿命。文章首先基于有限元分析软件ANSYS,利用其APDL语言开发了相应的焊接程序,对高强钢锥柱结合壳模型凸锥处环焊缝的焊接过程进行模拟,得到焊接残余应力的大小和分布;然后采用X射线无损检测方法对焊缝区域进行残余应力测量。结果表明:数值模拟结果与试验测量值是相吻合的,在焊缝焊趾处存在着较大的焊接残余应力,在熔合线外,随着距焊缝中心线距离的增加残余应力值迅速下降。

大型耐压壳环焊缝焊接残余应力实验研究

采用盲孔法对某大型耐压壳废弃壳圈环焊缝及两个模拟模型进行焊接残余应力测试，结果表明，焊接残余应力普遍较大，mises应力超过0．50σs的测点约占2／3左右，另有10％-20％的测点mises应力超过0．8σs，接近屈服极限．

船体甲板和侧壁大开口应力集中及其加强形式

抽象出船体甲板和侧壁大开口应力分析的力学计算模型，并应用有限元程序，分析了船体中部甲板和舷侧结构在总纵弯曲条件下的应力分布，计算了船体甲板和侧壁大开口的应力集中系数，提出了多种加强措施，并计算了相应的加强效果。

考虑残余应力重分布情况下的裂纹扩展预测研究

针对裂纹扩展引起残余应力重分布现象,基于Hull-Rimmer理论建立伴随损伤扩展的残余应力重分布预测模型,并通过组合应力强度因子及相应判据将其与裂纹扩展预测模型相结合,以充分模拟残余应力对裂纹扩展过程的影响规律。运用建立后的残余应力重分布预测模型对两种垂直于焊缝方向的裂纹扩展实例及一种沿焊缝方向的裂纹扩展实例的残余应力重分布情况进行预测研究,并将预测结果与裂纹扩展预测模型相结合来对考虑残余应力重分布情况下的裂纹扩展速率进行预测。结果发现基于Hull-Rimmer理论的残余应力重分布预测模型所预测出的结果与试验结果的平均相对误差仅为4.86%,对于残余应力重分布现象及后续裂纹扩展的预测研究具有重要意义。

静水压力交变对高强度船体钢腐蚀行为的影响

采用管形薄壁试样模拟密封结构,通过管形试样的应力状态计算、管形试样和相同尺寸实心圆柱试样的对比腐蚀实验,研究了静水压力交替变化对高强度船体钢在质量百分数为3.5%NaCl溶液中腐蚀行为的影响。结果表明:静水压力交替变化引起的溶液中溶解氧变化影响了高压时的电化学过程以及金属表面形成的腐蚀产物,可降低恢复到常压后的金属的腐蚀速度;静水压力交替变化引起了管形薄壁试样表面的应力、应变变化,高压时试样表面的应力增大可明显促进金属的腐蚀,另外,应力、应变的交替变化改变了金属/腐蚀产物的界面性能,显著促进了金属在常压时的腐蚀。在4 MPa静水压力下,管形试样管壁表面产生30.5～34.5MPa的压应力,静水压力交替变化可使金属腐蚀速度增大20%以上。

散货船碰撞损伤后的剪切极限强度

船体梁受到碰撞损伤后,必须有足够的剩余强度用以抵抗最大外弯矩,同时还需能够承受最大剪力。在众多类型的船舶中,散货船是一种抗剪能力较差的船型。对于其碰撞损伤后纵向剩余极限弯矩的研究已有较多的文献[2-7],而对于碰撞损伤后的剪切极限强度的研究目前还比较少。针对这一现状,本文的主要目的在于分析讨论散货船受到碰撞损伤后的极限承剪能力;分析结构几何尺寸,碰撞损伤形状以及边界条件等各种因素对碰撞破损船体抗剪能力的影响。为了方便起见,文中也给出了相应的回归经验公式。本文同时还推导了一个船体梁碰撞损伤后的初始屈服剪力计算公式。最后,本文以一艘散货船为例,计算分析其碰撞损伤后的抗剪能力,从中得出一些有益的结论。

深海载人潜水器耐压球壳的接触有限元分析(英文)

深海载人潜水器在海洋资源勘察和深海科学研究如热液喷口研究、地球物理和地球化学等方面发挥越来越重要的作用。在载人潜水器的研制过程中,载人耐压球壳的安全性最受关注。基于对载人耐压球壳特点的分析,作者认为在出入舱口和三个观察窗部分严格来说是接触问题,应该采用接触有限元分析的方法而不是通过假定没有滑动采用传统的有限元分析。本文对接触问题的基本理论以及数值技术如搜索策略、最终的方程和算法等进行了介绍。然后采用有限元方法对一个深海载人耐压球壳的接触问题进行了分析。基于应力应变的分析结果,对摩擦系数对接触区应力分布的影响也进行了研究。分析发现在出入舱口和三个观察窗部分应力是协调的。通过对观察窗附近两种不同材料的变形协调分析也验证了观察窗设计的合理性。

潜艇全船耐压结构有限元应力分析

本文对潜艇全船耐压结构进行了有限元应力分析 ,在此基础上 ,又进行了各局部结构的二级甚至三级离散有限元应力分析 ,比较了一般环肋圆柱壳、环肋圆锥壳、环肋锥 柱结合壳、横舱壁区域结构、耐压液舱区域结构典型点应力与现有解析算法结果的差异程度 ,得出了一些有工程实用意义的结论。

船体结构总纵极限强度的简化逐步破坏分析方法

本文基于Smith方法,应用梁-柱理论、理想弹塑性假设、平截面假设和塑性铰理论建立了加筋板单元的应力-应变关系曲线,导出了船体结构总纵极限强度的简化逐步破坏分析方法并编制成FORTRAN计算程序。应用作者导出的简化逐步破坏分析方法分析计算了Reckling23号模型总纵极限强度。计算结果表明,本文导出的简化逐步破坏分析方法和计算程序正确可靠,可供船体结构设计和使用。本文还对船体结构总纵极限强度的影响因素进行了分析,其中包括加筋板单元的载荷-缩短行为、横向压力、材料屈服强度和腐蚀等。

提高大开口船舶弯扭组合强度的方法研究

基于CCS规范,以某集装箱船为例,介绍一种大开口船舶弯扭组合应力的计算方法,总结出大开口船舶扭转翘曲应力在船长方向及横剖面上的分布规律;利用五种方案对船体某些部位进行加强,经过计算,定量比较这些方案对改善船舶扭转强度的优劣,最后得出加强抗扭箱平台板是最佳降低翘曲应力的方法的结论。