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。

基于协同优化的耐压柱壳多学科多目标优化

为提高耐压柱壳的设计效率和结构性能,本文基于多学科设计优化思想,进行了耐压柱壳多学科设计优化的学科分解,确定了耐压柱壳多学科优化设计的设计参数,明确了设计变量间的耦合关系,设计了耐压柱壳参数化分析流程,进行了设计变量灵敏度分析。在利用响应面模型建立了具有较高拟合精度耐压柱壳近似模型的基础上,以质量排水量比和极限载荷为目标函数,建立了基于协同优化方法的耐压柱壳多学科多目标优化模型,在确定了系统层和学科层的优化求解方法基础上,设计了基于协同优化的耐压柱壳多学科多目标优化框架,进行了优化的求解工作,得到了优化方案。与初始方案的对比表明:所得到的Pareto解集中,部分方案在2个目标函数上均得到了优化,验证了优化框架的有效性。

GB 150—2011中圆筒开孔补强设计的分析法

GB 150—2011版设计篇第6.6节圆筒径向接管开孔补强设计的分析法是在该版国家标准中新加入的内容,它将开孔补强设计的适用范围扩大至开孔率达0.9,是根据我国自主研发的薄壳理论解得到的应力分析方法。文中简要阐述了其理论基础与设计准则,所采用设计准则的依据,并给出了与其他设计方法的比较。

内压作用下圆柱壳开孔接管的分析设计方法

对于带径向接管的圆柱形压力容器,提出了一种以薄壳理论为基础的应力分析方法。与前人采用各种简化理论解不同,该方法基于精确的圆柱壳Morley方程解以及两圆柱壳交贯线处精确的边界条件,从而提高了解的精度,其适用范围扩大至开孔率0.93。一系列密网格三维有限元解验证了解的可靠性。本文根据作者所提出的理论解给出了圆柱壳大开孔补强的分析设计方法,分析表明:在大开孔情况下等面积补强法没有足够的安全裕度。

弹性圆柱壳的稳定性优化设计

研究任意轴对称边界条件下和受均布法向载荷作用圆柱壳的稳定性优化设计问题 ,即极大化屈曲临界载荷。利用能量原理分析轴对称变厚度圆柱壳的分支点屈曲 ,将求解屈曲临界载荷变成求解广义特征值方程 ,使圆柱壳稳定性优化设计成为极大化最小特征值问题。实际算例验证了本方法的有效性。

承受静水外压作用的圆柱形壳体结构优化设计(英文)

加强圆柱壳是最重要的深海耐压结构形式之一,是深海装备和人员安全的基础保障以及设备发挥正常功效的载体。水下的工作深度越深,耐压结构承受的海水外压力越大,对耐压结构的强度与稳定性的要求就越高,迫切需要开展结构优化设计,减轻结构自重,提高有效负载。文中分别采用快速下降算法和遗传算法,在保证耐压结构强度和稳定性以及满足基本加工工艺要求的条件下,进行耐压柱壳结构优化设计,所得计算结果对于耐压结构设计具有指导作用。

几何约束下圆柱壳的屈曲优化设计

利用能量原理分析受均布法向荷载作用的轴对称变厚度圆柱壳的分支点屈曲 ,将求解屈曲临界荷载变成求解广义特征值方程 ,在满足强度约束和圆柱壳体积保持常数条件下 ,将圆柱壳的最大屈曲荷载设计转化为极大化最小特征值问题 .

圆柱壳的屈曲荷载最大化设计

研究了弹性圆柱壳在任意轴对称边界条件下和受均布法向荷载作用下的稳定性优化设计问题 ,即极大化屈曲临界荷载。利用能量原理分析轴对称变厚度圆柱壳的分支点屈曲 ,将求解屈曲临界荷载变成求解广义特征值方程 ,使圆柱壳稳定性优化设计成为极大化最小特征值问题。

载人潜器耐压球壳参数化设计与稳定性分析

载人潜器耐压球壳设计的关键是稳定性分析,在针对CATIA进行了二次开发的基础上,实现了CATIA软件参数化模型与有限元分析软件ABAQUS之间的通信,采用ABAQUS中的python语言编程实现了对变参数模型的自动分网,采用惯性释放进行了边界设置,在研究了基于弧长法的稳定性求解方法的基础上,选取MT-1模型进行了稳定性求解方法的有效性验证,最后将参数化设计及稳定性求解方法应用到实际设计中,提高了耐压球壳设计效率。

基于GPC的环肋耐压圆柱壳结构失稳概率分析

为评估具有小失效概率特性的深潜环肋耐压圆柱壳结构的失稳概率,提出了一种新的基于高斯过程分类和重要抽样的自适应分析方法.该方法通过引入马尔科夫链蒙特卡洛法和欧式距离,开发了一种新的考虑预测不确定性和取样均匀性的自适应试验设计策略,以便更高效地构造高斯过程分类器;采用核密度估计构造准最优重要抽样密度函数;基于失效概率估计的稳定性,提出了一种更精确的迭代停止准则.通过某一分段函数验证了所提分析方法的准确性及高效性.应用所提方法得到某深潜环肋耐压圆柱壳结构的失稳概率约为8.242×10^-5.

轴压载荷下夹层圆柱壳结构屈曲承载力优化

夹层圆柱壳结构在导弹、火箭、船舶舱体结构及飞机机身结构上有着广泛的应用前景,此类结构承受轴压或弯曲载荷时极易屈曲和结构失稳,主要的失效形式表现为总体和局部屈曲。采用解析方法对轴压载荷下的夹层圆柱壳结构进行了受力分析,获得了影响结构承载效率的设计参数。采用有限元方法建立了参数化建模、屈曲分析和优化设计一体化分析与设计模型,通过解析和有限元结果比对分析验证了优化模型的准确性,并利用优化模型对夹层圆柱壳结构进行了承载力效率优化。数值算例结果表明:优化后结构承载效率从4.397×10^6N/kg增加到5.687×10^6N/kg,提升了29%,表明通过在可行设计域内对设计变量进行合理取值,能够获得承载性能更高效的结构,可为夹层圆柱壳结构设计应用提供参考。

无限长FFS圆柱壳体远场辐射声压的参数研究

该文以无限长 F FS( Fluid F illed/Subm erged)圆柱壳体的远场声压谱为研究对象 ,利用波数域法建立了在集中载荷作用下 ,无限长 F FS圆柱壳体的径向波数域振动速度计算公式 ,进而利用边界积分方程求得了该类壳体的远场辐射声压表达式。这里的流体为一维轴向、无旋、无粘的匀质流体。并利用这个理论模型 ,研究了流体类型 (轻质、重质 ) ,流体速度 ,壳体阻尼 ,力的作用方向 (径向、切向、轴向 )等参数变化对无限长 FF S圆柱壳体声辐射的影响规律 ,旨在为工程中大量存在的输流管道减振降噪优化设计提供指导原则。数值模拟结果表明 :对于声波逆流传播 ,随着流速增加 ,远场辐射声压增加 ;对于空气这种轻质流体 ,其流动对壳体远场辐射声压影响较小。而增加圆柱壳体的结构阻尼 ,可以有效降低其远场辐射声压。该文的研究结果对农机和加工设备的低噪声优化设计有一定的参考价值。

基于分枝定界法的环肋圆柱壳优化研究

基于分枝定界方法,研究了环肋圆柱壳静水压力作用下,考虑强度和稳定性约束时重量最轻的混合变量优化设计问题,讨论了强度约束和稳定性约束以及材料、几何参数对优化结果的影响。该方法能够有效求解环肋圆柱壳的混合优化问题,计算量小,精度高;环肋圆柱壳经优化后,壳板的重量比例大约是70%,肋骨重量占30%,并且随壳体的长径比(L/R)变化不大。环肋圆柱壳的优化中,肋骨的应力约束是主要约束,肋骨应力已经非常接近许用应力标准,其他应力、局部和总体失稳压力还有一定的储备。

耐压柱壳参数化设计与灵敏度分析

为提高耐压柱壳设计效率,设计了耐压柱壳参数化分析流程。研究了有限元分析所涉及的材料属性、载荷施加、边界条件设置等内容,确定了采用弧长法分析耐压柱壳稳定性。利用Python语言对于ABAQUS软件进行了二次开发,利用Isight软件实现了ABAQUS的集成,实现了耐压柱壳有限元分析模型的网格自动划分、自动分析计算等。选择样本点进行参数化分析,利用响应面模型对于样本点进行了拟合,得到了具有较高拟合精度、满足工程需要的近似模型,进行了设计变量的灵敏度分析。研究结果表明:参数化分析流程可实现耐压柱壳的自动分析、近似模型及灵敏度分析,可降低耐压柱壳分析难度,均可提高耐压柱壳设计效率。

轴压化铣网格加劲圆筒壳结构优化设计

本文建立了轴向压力作用下中长正置正交化铣网格加劲圆筒壳结构优化设计的数学模型,采用约束变尺度法进行了优化计算,分别讨论了材料屈服极限、外载荷、加劲效率系数ψ以及环向肋条与纵向肋条间距之比λ对优化结果的影响,得到了若干有实用价值的结论.

环向加筋夹层圆柱壳体应力计算方法

针对环向加筋夹层圆柱壳体的应力计算问题,本文提出内、外壳板纵向力计算模型,建立了环向加筋夹层圆柱壳体在外压载荷作用下的应力解析计算方法,计算结果与有限元结果吻合较好;以10%误差(解析应力值与有限元值的偏差)为衡准,初步提出该方法的适用条件;同时系统探究了各形状参数对环向加筋夹层圆柱壳体关键位置应力的影响规律。为超大潜深新型耐压结构设计提供理论基础。

复合载荷圆柱壳径向接管极限载荷参数化分析

采用正交试验设计方法,设计了48组不同几何参数的带径向接管圆柱壳模型,利用有限元分析软件ANSYS对模型进行模拟计算,求得模型在内压与接管纵向弯矩联合作用下的极限载荷,由回归分析法得到复合载荷作用下圆柱壳接管结构极限载荷关系的经验方程。采用有限元计算结果对经验方程进行验证和应用,证明了回归方程和研究方法是可靠的,可用于求解内压与接管纵向弯矩联合作用下圆柱壳接管结构的极限承载能力,为快速求解载荷联合作用下圆柱壳接管结构的极限承载能力提供了研究方向。

蜂窝型柱面网壳结构的参数化设计及加强

利用通用有限元软件ANSYS参数化设计语言,建立蜂窝型网格(正六边形)的柱面网壳模型。同时,针对单纯的六边形网格柱面网壳由于刚度和稳定性较低,无法在中大跨度网壳结构中使用的问题,借鉴网壳、网架结构中正放四角锥型的腹杆连接形式,提出在每个六边形网格上施加正放六角锥型腹杆的连接形式,从而使每个六边形网格都得到加强。结构分析表明,单元网格得到加强后的六边形网格柱面网壳整体刚度和稳定性都得到很大程度的加强,且由于网格加强的杆件均采用较小的截面以及结构得到加强以后自身承载能力增加所带来的耗钢量的降低,故加强后的结构在保留六边形结构简洁、通透、耗钢量低等优点的前提下,大大提高了六边形网格柱面网壳结构的适用范围。同时,采用参数化设计方法建立的参数化建模程序为进行不同类型、不同几何参数下六边形柱面网壳的受力分析和设计方案比较提供了极大的方便。

谷线式叉筒网壳参数化设计及受力性能分析

谷线式叉筒网壳曲面造型流畅,内部空间美观,克服了传统柱面网壳建筑外形单一的缺点。文章根据其结构特点,应用APDL(Ansys Parametric Design Language)参数化设计语言,研制了5种基本形式的单层谷线式叉筒网壳参数化设计宏程序,实现了给定结构跨度、矢高、谷线数及径向节点圈数等参数下,5种结构形式的参数化设计;并应用Ansys软件对其进行了95种工况的受力性能比对分析。结果表明:同等工况下,5种形式结构中,三向网格型结构形式和受力性能最为合理,故实际工程设计时应优先选用;而联方型结构最大位移和最不利应力始终为5种结构中最不理想的,结构最不利应力易超过结构许用应力值;单层谷线式叉筒网壳适用于中小跨度S≤65 m、低矢高f<d的建筑结构。

近似模型在非均匀环肋圆柱耐压壳优化中的应用研究

为提高潜水器耐压壳的稳定性和材料的利用率,该文在圆柱耐压壳设计中引入了非均匀肋骨布置方案,采用不等刚度不等间距分布的肋骨形式。在优化过程中,引入了近似模型技术,提出基于近似模型的非均匀环肋圆柱壳结构优化设计方法,通过试验设计在设计空间内选取样本点,建立近似模型,并以此搭建了近似模型优化策略对环肋圆柱耐压壳进行优化。研究结果表明,对于非均匀环肋圆柱壳采用合理的肋骨布置方案能有效地提高其力学性能及材料利用率;二阶RSM近似模型和RBF近似模型均能合理反映样本空间的样本点,基于近似模型优化方法能以较小的计算量克服优化过程中出现的数值噪声和错误。良好的优化结果表明该优化方法具有广泛的应用前景和空间。