Coupled BEM-FEM Analysis of the Large-Diameter Cylinder Structure System

A method of coupled BEM-FEM analysis for the elastic spatial structure system is presented. It can be applied to the calculation of the stress and deformation of the large-diamater cylinder structure system and it is suitable for symmetric or non-symmetric structures under the distributed or concentrated load. Numerical examples show that the proposed method and computer program BEFEM are quite efficient in the analysis of the large-diameter cylinder structure problems in ocean engineering.

球-柱-球复合壳体结构声辐射建模及特性分析

针对典型复合材料轴对称结构的外部声辐射问题,本文建立了基于结构完整边界的广义谱-配点边界元法的结构声辐射分析模型。从一阶剪切层合壳理论出发,推导了复合材料结构振动能量方程,引入广义谱方法和边界元方法的思想,将Helmholtz积分方程转化为边界积分方程,再将位移、声学变量和Green函数等展开为周向Fourier多项式和轴向Chebyshev多项式的形式,经化简得到一维半解析声振耦合求解的声场方程。对于浸没在轻质和重质流体中的壳体结构,均采用强耦合的处理方式对结构声问题进行求解。通过数值结果验证了本文方法的正确性,分析了各向同性均匀材料和正交各向异性球-柱-球复合壳体的声辐射问题,并讨论了不同载荷方式、铺层角度等因素对复合壳体结构声辐射的影响。结果表明:对于铺层为[90°/±θ/0°]S的玻璃纤维材料复合壳体结构,随着铺层角的增大,组合结构的轴向拉伸和弯曲刚度逐渐减小,周向的刚度得到加强,并在结构弯曲-扭转耦合效应的作用下,壳体结构的辐射声功率级响应曲线的峰值频率向高频发生偏移。

考虑遮挡和二次散射的修正板块元算法

对外部加环肋圆柱壳体的声散射研究表明,部件之间的互散射(二次散射)对反向散射声场有重要贡献。本文在板块元算法基础上,加入对遮挡和二次散射的判段,得到修正的板块元算法。通过计算外部加环肋圆柱壳体的目标强度,展现了二次散射和遮挡效应在不同角度的交替作用;而在考虑透射效应后,在高频段和低频段呈现出不同的效果。修正板块元计算结果与实测数据比较,两者一致。

激光辐照下旋转柱壳温度场的数值模拟

采用有限元方法数值模拟在连续激光辐照下旋转柱壳温度场的变化和分布情况,并分析了热性能参数对温度场造成的影响,同时还比较分析了不同旋转频率对柱壳温度场分布的影响。结果表明,激光作用下旋转柱壳的温升大大低于静止柱壳的温升,外表面温度呈现出与旋转频率相符的周期性上升过程,而内表面温升由于热传导的原因在较小频率下才表现出这种周期性,当频率增大到一定值时,内表面温升不出现周期性的台阶而是曲线上升。

激光辐照下充内压柱壳动态爆裂的数值模拟

采用动力有限元显式积分程序,对承受内压、在侧面受到激光辐照的圆柱壳的热 力学响应进行了数值模拟,展现了圆柱壳热软化、鼓包和爆裂的动态失效过程。获得的柱壳失效方式与实验现象基本吻合;还给出了不同内压作用下柱壳的破坏时间,获得一些定性的认识。

圆锥壳的精确解与等效圆柱壳的解的比较

在目前的潜艇结构设计中 ,通常对不同锥度壳体结合处的应力采用等效圆柱壳的解来进行设计计算。等效圆柱壳的解的精度是 h/R。对于圆锥壳体的应力计算 ,文献中曾给出过精确解 ,但给的并不很全 ,同时在提供的解中还含有一些错误。本文从旋转壳体的基本微分方程出发 ,重新推导了圆锥壳体应力计算的精确解 ,给出了全部的计算公式及计算程序。并以此为基础 ,讨论了采用等效圆柱壳的解的精度问题。本文的讨论对正确使用现有的潜艇结构设计计算规则有一定的参考价值。

弹性介质中充液圆柱壳的轴对称振动分析

从理论上分析了各向同性弹性介质中有限长充液圆柱壳的自由振动特性。利用经典FLUGGE壳体运动方程,结合弹性动力学方程,得到了弹性介质中充液圆柱壳耦合系统的特征方程。利用数值方法得到了弹性介质中圆柱壳中空和充液时的实固有频率。计算结果表明弹性介质中圆柱壳的实固有频率比真空中圆柱壳的实固有频率高,而且存在截止轴向模态。弹性介质刚度不仅对充液圆柱壳的实固有频率影响显著,而且影响其截止轴向模态。

波浪荷载作用下深插式大直径圆柱壳结构的解析方法及实验

大直径圆柱壳结构是港口及近海工程中的一种新型结构,其力学机理、破坏形态、作用荷载以及计算方法等均亟待研究.基于散体结构力学理论与极限平衡条件,引用基床系数法推导了波浪荷载与结构位移关系的一种解析求解方法,由此可直接确定大圆柱壳结构的破坏形态,并计算出作用在其上的土压力.同时又重新定义了深插式与浅插式大圆柱壳结构的判别标准.最后通过大比尺模型试验,验证了本解析方法是可行有效的.

基床系数法在深埋式大圆柱壳结构数值模拟中的应用与改进

将基床系数法引入深埋式大圆柱壳结构与半无限域内土体间相互作用的数值模拟分析中 ,考虑了土体反力模量随深度变化的比例系数m值沿环向的折减 ,并考虑剪切力的影响以模拟土体对于结构的竖向作用力 ,从而提出模拟深埋式大直径薄壁圆柱壳结构这种新型结构形式与土体相互作用的一种新的数值分析方法 .在计算中 ,充分利用了ANSYS软件中的APDL语言的参数化建模、前后处理技术以及求解过程控制等功能 ,为模拟、求解大直径薄壁圆柱壳结构与土体相互作用提供了有力的工具 .本模型以及求解方法在对实际工程的验算中 ,取得了良好的结果 .

加肋凹锥-环-柱结合壳结构参数分析

采用分区样条等参元法,分析了加肋凹锥 环 柱结合壳的应力和稳定性特点,研究了各项结构参数变化对结合壳应力和稳定性的影响,认为加肋凹锥 环 柱结合壳能有效降低锥柱结合部的纵向弯曲应力,但对于降低环向应力效果有限,建议在环壳段中部增加一档肋骨;半锥角的凹结合壳越大,嵌入环壳段的优势越明显;增大环壳与柱壳半径比可以有效降低环壳段中部的纵向弯曲应力.

结构参数变化对双层圆柱壳冲击响应的影响

为了研究潜艇结构在水下爆炸作用下的响应特点和潜艇结构参数变化对其冲击响应的影响,该文在大型有限元计算软件ANSYS/LS-DYNA环境中仿照潜艇结构设计了一个双层圆柱壳体,并对其在相同冲击因子、不同结构参数下的冲击环境进行仿真.以冲击加速度为主要数据,分析了改变内壳板厚、外壳板厚、肋骨尺寸、肋骨间距等结构参数对冲击响应的影响.通过引入各种无量纲化结构参数,得到了双层圆柱壳结构有利于抗冲击的结构参数取值范围,对潜艇抗冲击设计有参考价值.

具有薄壳理论同样精度的圆锥壳简化解

采用新的变量转换公式 ,通过量级分析 ,略去 h/R量级的小量 ,从而将圆锥壳有矩问题求解的基本微分方程式转换成一个二阶复常系数的常微分方程式 .求解该方程式 ,导出了具有薄壳理论同样精度的圆锥壳的简化解 .这一简化解较圆锥壳的精确解简单 ,无须利用复杂的贝塞尔函数 ,与具有 h/R精度的等效圆柱壳的解相比 ,其精度同精确解一样为 h/R.该简化解可用于圆锥壳的边界效应 ,以及锥 -柱、锥

有限长同轴共线弹性圆柱壳间互辐射阻抗计算

基于圆柱壳的模态展开技术,利用Green函数法和广义辐射阻抗公式,推导了无限长刚性圆柱障壳上两段有限长弹性圆柱壳的互辐射阻抗计算公式,并对不同的径向速度分布形式进行了数值分析。结果表明:低频时,两段圆柱壳之间的模态互辐射阻抗系数比较大;相同轴向波数(m'=m)比不同轴向波数(m'≠m)的模态互辐射阻抗系数峰值大,m'和m的差距越大,模态互辐射阻抗系数越小;增大两圆柱壳之间的间距或同时增大两圆柱壳的长度,模态互辐射阻抗系数总体上逐渐减小。研究结果为分析多舱段圆柱声场特性奠定基础。

厚板削斜和纵筋加强非轴对称锥柱结合壳优化

对于在凹结合壳处采用厚板削斜加强、凸结合壳处采用纵筋加强的非轴对称锥柱结合壳的结构优化设计建立了数学模型。选取凹结合壳处的厚板长度、厚板厚度、厚板削斜长度,凸结合壳处的纵筋剖面参数、纵筋数目、纵筋间距,以及凸凹处的环肋剖面参数等作为设计变量,考虑锥柱结合壳段的内外表面周向应力、内外表面纵向应力、其它部位应力以及工艺性要求等约束,以锥柱结合壳处可变结构的总质量为目标函数。采用APDL语言建立结构的参数化模型,用ANSYS计算结构应力,然后用遗传算法求解优化设计数学模型,解决了非轴对称锥柱结合壳复杂结构的参数化建模和离散变量优化问题。优化的非轴对称锥柱结合壳结构的质量减轻了10.52%。还分析了主要的强度约束条件对优化设计结果的影响。

流体域特性对流固耦合振动计算的影响

船舶结构的水下振动预报一直受到广泛的重视,计算机技术的发展使得有限元法成为求解复杂船舶结构流振耦合振动的有效方法。本文基于船体结构与周围流体介质的耦合作用建立典型圆柱壳流固耦合振动计算的有限元模型,重点分析流体域边界处理方式、流体域形状、流体域范围对耦合振动计算结果的影响,提出合理的流体域建模方法。同时分析流体网格控制方式对于耦合振动计算的影响,为水下结构物耦合振动分析提供参考。

复合材料层合薄壁短圆柱壳动力学相似模型几何适用区间确定方法

针对旋转复合材料层合薄壁短圆柱壳结构的相似试验模型设计问题,提出一种不完全几何相似(畸变)模型的几何尺寸区间确定方法。用动力学平衡方程分析与敏感性分析相结合,建立层合薄壁短圆柱壳模型与原型间的相似关系,通过对导出的三种固有特性相似关系进行修正,得到层合圆柱壳动力学相似关系。以一种常用复合材料层合薄壁短圆柱壳为例,在深入研究使模型与原型在固有特性相似(即固有频率成比例映射关系、且振型保持一致)时,畸变模型的几何尺寸适用区间确定方法的基础上,利用数值分析方法,最终得到复合材料层合薄壁短圆柱壳模型和原型在不同阶次下,固有特性相似的畸变模型几何结构适用区间及其边界函数的确定方法。该研究结果为旋转层合薄壁短圆柱壳的动力学相似模型设计问题奠定了理论基础。

水下爆炸时加肋双层圆柱壳冲击响应的统计分析

主要分析水下爆炸时加肋双层圆柱壳冲击响应的变化规律。应用ABAQUS软件建立加肋双层圆柱壳有限元分析模型结构，并模拟水下爆炸冲击环境，通过MATLAB／SIMULINK软件对各节点的加速度时历响应值采用冲击谱的方法进行计算，将得到的谱速度值进行统计分析。分析表明，冲击因子能够较为可靠地描述结构冲击环境的强弱程度，但具有一定的局限性。另外，对于所采用的加肋双层圆柱壳模型，在1—500Hz频率范围内，无量纲爆距x〉1．5，等冲击因子C条件下，加肋双层圆柱壳的冲击谱响应环境是等效的。

不同结构参数的锥环柱结构强度性能分析

锥环柱结构是柱壳和锥壳连接的一种新型结构形式,实现了柱壳和锥壳的光顺连接,可消除结构的不连续性,降低纵向弯曲应力峰值,应力分布均匀,结构重量小,且最大应力部位避开了焊缝。通过不同结构形式的计算和对比分析,展示锥环柱结构的优越力学性能。通过不同结构参数的多方案计算和分析比较,得到环壳半径、环壳厚度和半锥角对环壳力学性能的影响。

基于ANSYS的锥柱壳连接区域加强结构的应用

目的研究锥柱壳连接区域加强结构和加强效果。方法采用有限元法建立力学计算模型,应用ANSYS软件进行应力分析和强度计算。结果获得了两种加强结构的应力分布规律和应力强度。结论锥壳过渡环加强结构不但加强效果显著,且结构简单、加工简便。

潜艇耐压艇体纵筋加强锥——柱结合壳结构行为的分析

为考察"纵筋加强锥—柱结合壳"的力学行为,设计了"纵筋加强锥—柱结合壳"作为计算模型,运用有限元方法分析了该模型凸/凹结合部母线方向和圆周方向应力分布。纵筋在纵向和环向均破坏了结构的连续性,在环向还破坏了结构的轴对称性,在纵筋端部(纵向)和纵筋与纵筋之间(环向)的壳板上产生了应力突变和很多应力集中点;此外,在锥—柱结合部增加了许多纵向焊缝,锥—柱结合部应力环境十分恶劣。这种结构形式增大了艇体出现疲劳破坏的危险性。在采用高强度钢(屈强比接近1)的大潜深潜艇的锥—柱结合部不能采用"纵筋加强"结构形式。