复合材料桅杆层合板刚强度分析研究

针对封闭式桅杆中复合材料层合板结构进行设计,提出复合材料层合板结构设计方案。综合利用有限元软件ANSYS和相关强度准则对桅杆的复合材料部分进行强度和刚度校核,分析并总结出相关特性。确定并得出满足要求的复合材料层合板厚组合,实现复合材料桅杆的优化设计。并验证了设计的可行性,为复合材料桅杆以后的设计研究提供参考。     

含层间分层损伤复合材料层合板的动力响应研究

本文研究了含层间分层损伤复合材料层合板分层模型、阻尼和动力响应特征。在分层区上下子板间构造一种特定的界面连接单元,以防止分层处子板间的脱离或嵌入现象。为确定合理的有限元分析中的阻尼矩阵形式,文中进行了多种计算方式的比较,并做了T300/QY8911层合板梁的激振试验,依据耗散能等效,提出对阻尼矩阵构造的改良方法,使系统有限元动力响应分析中,既包含较多模态参数对结构响应的作用,又避免阻尼矩阵的满阵形式以利于有限元分析的计算机实施。利用时域直接积分法对稳态激励下的响应特征进行了研究,通过对界面连接单元刚度对动力特性影响的计算,给出分层受损复合材料层合板的动力响应特征,为含层间分层抽伤层合板动力分析提供了一个有效方法,同时,数值模拟结果对进一步理解层间分层损伤层合板的动态特性也存在一定的参考价值。     

船用复合材料层合板螺栓孔处疲劳寿命实验研究

复合材料层合板结构由于其优异的力学性能在舰船上得到广泛使用。此种结构一般采用螺栓连接,其连接处的疲劳特性往往决定了结构的使用寿命。针对舰船桅杆上的复合材料雷达罩,阐述如何将结构疲劳实验简化为部件疲劳实验的具体方法和过程。设计了试验件和相应的夹具,开展了复合材料层合板螺栓连接结构的部件疲劳实验。分析表明:弹簧垫圈的预紧作用可延长复合材料层合板螺栓孔处的疲劳寿命;可采用结构静强度覆盖结构疲劳并辅以部件疲劳实验的方法来评估复合材料层合板结构的疲劳性能。     

综合集成桅杆振动特性研究

采用锤击法对由复合材料和钢材两种材料制造的综合集成桅杆进行了模态实验,将实验结果与有限元计算结果进行对比,二者吻合良好.并研究了板厚和骨材尺寸大小,设备重量以及桅杆外形对桅杆振动特性的影响规律.结果表明,桅杆总体首阶固有频率对板厚和骨材尺寸的变化不敏感,但受主雷达质量比和桅杆外形的影响较大.     

复合材料—钢混合结构封闭式桅杆振动特性研究

由于隐身性的需求,复合材料—钢混合结构的封闭式桅杆逐渐在舰船上使用。开展了复合材料—钢混合结构封闭式桅杆的模态试验,通过实验检验了桅杆数值计算模型,并采用数值方法研究了雷达罩复合材料夹层板板厚对桅杆和顶部雷达罩振动特性的影响规律,通过研究发现复合材料夹层板振动特性良好。此外,根据八边形桅杆的数值计算结果提出了雷达罩总体和局部振动频率的预测方法,通过四边形和六边形桅杆的检验,证明此种预测方法具有普遍意义,为封闭式综合集成桅杆的结构设计提供了有益的参考。     

复合材料层合板低速冲击损伤特性影响因素

基于二维Hashin失效准则,在充分考虑低速冲击下层合板纤维和基体拉压失效等损伤模式下,计及材料退化并引入损伤因子,运用ABAQUS软件建立复合材料层合板低速冲击有限元模型。运用该模型深入研究层合板低速冲击问题,考察其动态响应和损伤演化过程,数值结果和实验值吻合良好,验证模型的合理性和准确性。在此基础上,通过对层合板进行各冲击工况的数值模拟,详细讨论冲击能量、铺层形式等参数对层合板低速冲击动态响应和损伤特性的影响规律。     

含分层损伤复合材料层合板声激励下振动特性研究

本文通过对含厚度方向不同位置椭圆分层层合板结构动力分析,讨论平面声波激励对结构动力响应特性的影响,基于分层损伤结构变形特点,将含损伤层合板的基板和上下子板采用Mindlin板单元离散,而分层损伤区以虚拟连接单元模拟,根据耗散能的计算确定结构的模态阻尼特征,建立含损伤层合板的振动响应函数的有限元分析方法,用算例验证模型的可信性,在0-1000Hz范围内,计算了含厚度方向不同位置椭圆分层损伤层合板结构的固有频率、模态阻尼和幅频响应与相频响应,依据计算结果分析了分层损伤对动力特性的影响,有益于进一步对分层损伤建立识别模式.     

高速船复合材料层合板非线性动力响应分析

研究高速船复合材料层合板在冲击载荷作用下的非线性动力响应，其中位移和应力函数均用级数展开，应用四阶Runge-Kutta法进行数值求解，讨论了载荷形式对非对称复合材料层合板动力响应的影响。     

高速船复合材料层合板非线性动力响应分析

研究高速船复合材料层合板在冲击载荷作用下的非线性动力响应，其中位移和应力函数均用级数展开，应用四阶Runge-Kutta法进行数值求解，讨论了载荷形式对非对称复合材料层合板动力响应的影响。     

含分层损伤复合材料层合板频率响应函数分析

振动分析中含分层损伤复合材料层合板的动力特性是非常重要的，本文主要研究含分层损伤层合板的频率响应函数（FRFs)。首先，建立分层模型和基于FOSD理论的有限元层合板单元，为保证分析模型中避免出现上子板与下子板间的脱离或嵌入，引入了16节点虚拟界面罚单元，其次，根据Adams应变理论，由层合板SDC推导出相应结构振动的模态阻尼；最后，对0%-80%不同分层大小层合板的分析计算结果，讨论了不同分层大小对受损结构的固有频率，SDC和FRFs的影响，本研究不仅有助深入理解含分层复合材料层合板的动力特性，而且可发展用来预报复合材料层合板分层损伤的程度。     

复合材料桅杆应力分布特性及其极限载荷研究

船用复合材料桅杆采用新颖的八边形筒形结构,复合材料夹层板对于桅杆来说也是一种创新探索,对其应力分布特性和极限载荷的研究具有实际意义。通过力学分析,给出了桅杆在真实环境中所受到的三种载荷具体形式,并采用流体动力学方法,模拟出三种载荷共同作用下复合材料结构的受力响应情况,由此得到其应力分布规律。再通过大量计算得到不同蒙皮和芯材厚度下胶层应力随风速变化曲线,由此得到该种复合材料夹层结构在常用厚度范围内的极限载荷统计规律,以供参考。     

倾斜侧壁正八边形天线罩风载特性研究

风载是综合集成桅杆复合材料天线罩所受的主要载荷之一,研究天线罩的风载特性将对复合材料天线罩的结构设计具有重要指导意义。采用试验和数值模拟的方法对倾斜侧壁正八边形天线罩的风载特性进行研究,分析天线罩表面平均压力系数和脉动压力系数的周向分布规律,以及Strouhal数(St数)随雷诺数(Re数)和风向角的变化规律,并将计算结果与试验结果进行比较分析。研究结果表明:平均压力系数和脉动压力系数沿周向分布变化较大,不同风向角下St数随Re的增加趋于稳定值,平均压力系数和脉动压力系数计算值与试验值基本相近。     

海上风力发电机组支撑结构动力响应特性研究

支撑结构设计是大型海上风电机组设计的重要部分。文章分析了海上风电机组的各种环境载荷,并以3MW风力机组为例计算其所受环境载荷,包括作用在支撑结构顶端的由风机叶轮转动引起的水平轴向力、作用在塔筒上的风载荷以及作用在基础上的海流、海浪载荷,并采用非线性弹簧来模拟基础与海底土层之间的相互作用。在考虑风轮影响情况下,利用有限元法对支撑结构进行了模态分析。最后,分析了环境载荷作用下支撑结构的动态响应。计算结果表明,在对海上风力发电机组进行动态响应计算时,环境载荷之间的相互耦合作用不能忽略。     

Methodology for global structural load effect analysis of the semi-submersible hull of floating wind turbines under still water,wind, and wave loads

In designing the support structures of floating wind turbines (FWTs), a key challenge is to determine the load effects (at the cross-sectional load and stress level). This is because FWTs are subjected to complex global, local, static, and dynamic loads in stochastic environmental conditions. Up to now, most of the studies of FWTs have focused on the dynamic motion characteristics of FWTs, while minimal research has touched upon the internal load effects of the support structure. However, a good understanding of the structural load effects is essential since it is the basis for achieving a good design. Motivated by the situation, this study deals with the global load effect analysis for FWT support structures. A semi-submersible hull of a 10-MW FWT is used in the case study. A novel analysis method is employed to obtain the time-domain internal load effects of the floater, which account for the static and dynamic global loads under the still water, wind, and wave loads and associated motions. The investigation of the internal stresses resulting from various global loads under operational and parked conditions and the dynamic behavior of the structural load effects in various environmental conditions are made. The dominating load components for structural responses of the semi-submersible floater and the significant dynamic characteristics under different wind and wave conditions are identified. The dynamic load effects of the floating support structure are investigated by considering the influence of the second-order wave loads, viscous drag loads induced global motions, and wind and wave misalignments. The main results are discussed, and the main findings are summarized. The insights gained provide a basis for improving the design and analysis of FWT support structures.     

复合抗弹结构设计及隔热性能验证

超高分子量聚乙烯纤维增强塑料(UFRP)层合板具有良好的抗侵彻性能,但受温度影响明显,其热损伤的临界温度仅为147℃.为了避免火灾产生的高温使UFRP层合板失去抗弹性能,设计了以船用钢为前/后面板,SiO2气凝胶毡为隔热层,UFRP层合板为抗弹层的复合抗弹结构.在A60耐火等级标准条件下,对复合抗弹结构的有限元模型进行瞬态热分析,探索了复合抗弹结构内部的温度分布与SiO2气凝胶毡隔温层厚度的关系.根据有限元仿真结果,近一步对SiO2气凝胶毡隔热层厚度为20 mm的复合抗弹结构单元开展耐火试验.结果表明:SiO2气凝胶毡具有良好的隔热性能,在A60耐火等级标准条件下,保持复合抗弹结构中UFRP层合板抗弹性能完好所需的SiO2气凝胶毡隔热层厚度至少为20 mm.     

封闭式综合集成桅杆风载分布特性研究

为了提高舰船的隐身性能,现代舰船已逐渐开始采用封闭式综合集成桅杆,因此研究典型封闭式综合集成桅杆的风载分布具有重要意义。利用计算流体力学软件对典型的正八面体封闭式综合集成桅杆风载分布进行数值模拟,研究了风向角为0°、12°及22.5°、雷诺数在2.92×106至1.55×107范围内桅杆的风载分布,分析平均压力系数、脉动压力系数及斯特哈尔数随雷诺数的变化规律,以及平均压力系数和脉动压力系数沿桅杆垂向和周向的分布规律。结果表明:平均压力系数和脉动压力系数均随雷诺数的增加而趋于稳定,且其沿桅杆垂向基本呈均匀分布而沿桅杆周向变化较大。     

舰船复合材料防护结构的选择与优化

为选择与优化舰船复合材料防护结构,根据陶瓷材料的密度小、强度大、硬度高、抗冲击性能良好等特征,建立以金属为面板的金属/陶瓷复合材料和以陶瓷为面板的陶瓷/金属复合材料结构模型,研究复合材料层合板在爆炸冲击载荷下的抗冲击性能,陶瓷/金属复合材料的抗爆炸冲击性能远远优于金属/陶瓷复合材料的抗爆炸冲击性能。在此基础上,考虑复合材料层合板在防护结构中的位置,讨论不同结构参数对防护结构爆炸冲击性能的影响。研究结果表明,当复合材料层合板设置在空舱外板时,舰船的抗爆炸冲击性能相对较优。     

秦皇岛港防风网结构动力特性分析研究

通过研究秦皇岛防风网结构的动力特性,以及脉动风压作用下防风网结构的动力响应特性,解决秦皇岛防风网工程的结构安全问题。分析可知,工程采用的防风网结构自振周期远离能量较大的脉动风荷载周期,不会发生共振现象。     

冰区海上风电基础的抗冰性能分析

海上风电基础属于典型的柔性结构。由于冰与柔性抗冰结构相互作用的复杂性,长期以来尚未形成基于动冰力响应分析的结构设计。结构抗冰设计中大都是从极端荷载出发,只考虑最大静冰力或最大倾覆力矩。基于对渤海辽东湾柔性抗冰结构的多年监测,发现强烈的冰激振动引起柔性结构的风险性要远大于极端静冰荷载下结构的整体安全问题。为了明确冰区风电基础结构的抗冰性能及抗冰设计的合理性,文章结合基于多年现场冰与结构作用观测及冰荷载的研究成果,明确该类柔性结构与海冰作用形式及其动力特性;提出了柔性抗冰结构设计中应考虑的主要失效模式及评价方法。最后,以渤海某典型风电基础为例,对其抗冰性能进行评价。该文的研究可为寒区风电基础的抗冰设计及安全保障提供合理依据。     

Study on a new method for installing a monopile and a fully integrated offshore wind turbine structure

This paper presents a preliminary technical feasibility study on a new methodology proposed for installing a monopile-based bottom supported offshore wind turbine structure. The concept is developed to address the problem of “waiting for a suitable weather window” which is commonly faced by the existing installation methods that uses a typical jack-up platform. In the methodology, a floating vessel along with a floatable subsea structure fitted with a hull on the top, hereafter named SSIP (subsea structure for installing a pile), is proposed first to install a monopile. Then the same structure is used to carry an FIUS (fully integrated upper structure) of an offshore wind turbine, which is characterized by a telescopic tower, and install it over the monopile by using an FOP (float-over-pulling) arrangement. Here, the installation methodologies are first briefly described along with the critical load cases associated with them. These load cases are then numerically studied for a significant wave height (H_S) of 2.5 m, and the results are summarized. For installing a fully integrated offshore wind turbine upper structure on a monopile foundation by the FOP method, two installation schemes are presented, and their dynamic characteristics are compared. It is shown that the proposed methodologies have potential to provide installation solutions which can be environmentally more robust compared to the existing method for installing an offshore wind turbine.