船舶轻量化T型连接结构设计及强度试验

文章从船舶轻量化的角度出发,提出了一种由复合材料夹芯板和增强泡沫胶接而成的新型T型连接结构,解决了船舶复合材料上层建筑内部壁板之间的连接问题。基于复合材料结构的设计原理和力学特性,设计了T型连接结构的拉伸试验和压缩试验,研究其在不同载况下的极限承载和损伤模式,证明T型连接损伤模式复杂,抗拉能力弱,尤其面板与腹板连接区的胶层是承载薄弱环节;依据试验结果验证数值计算方法,并规划3条技术路径以研究T型连接的抗拉特性,应用数值方法提取对应技术路径的应力和位移特征量,分析T型连接面板与腹板连接区的胶层几何参数对抗拉强度和重量的响应规律,获得连接区胶层几何夹角的建议取值为45°~60°,为复合材料船舶轻量化胶接结构的优化设计和实际应用提供了有益参考。     

深水环境下粘弹性复合材料夹层结构蠕变特性研究

文章结合单轴压缩蠕变试验和粘弹性材料广义Maxwell建模理论得到吸声和浮体两种粘弹性填充材料的松弛模量Prony级数系数,开展了深水环境下粘弹性复合材料夹层结构蠕变特性试验,并将之与仿真研究结果进行对比,得到如下结论：复合材料夹层结构长时蠕变初期,芯材蠕变较表层复合材料占主导地位;随着时间增加,表层复合材料基体的粘弹性特性所表现出的蠕变和松弛现象交织出现,表层应变出现波动;芯材蠕变对复合材料夹层结构长时蠕变变形的贡献约为60%。     

轻质夹芯复合材料结构强度评估方法研究

由于具有高强度、高模量、重量轻、耐腐蚀的优良特点,复合材料在船舶上的应用逐渐成为研究热点.目前可查阅的关于船体复合材料结构强度校核的文献很罕见以及各种规范对船体复合材料结构强度校核尚未给出明确的说明.与各向同性材料的强度评估方法相比,复合材料强度评估有很大的不同.本文基于试验结果,分别采用壳单元、实体-壳单元和实体单元模型对复合材料结构进行数值分析,确定用于轻质夹芯复合材料结构强度评估的合理有限元模型.基于渐进损伤分析理论,采用Tsai-Wu失效准则和突降退化模型,对轻质夹芯复合材料的极限强度进行评估.结果表明:计及结果精确性与计算成本,可用壳单元模型分析复合材料结构的应力-应变分布;渐进损伤分析方法结合材料退化模型不仅有效地对复合材料结构的极限强度进行预测,同时还能判断材料的失效模式.     

等效刚度法计算波纹夹层板弯曲变形与应力

[目的]为探索波纹夹层板弯曲问题的计算方法,求解波纹夹层板的弯曲变形与应力,提出一种等效刚度法。[方法]将波纹夹层板中间芯层等效成正交异性体,应用卡氏定理求解芯层的等效弹性模量,最后应用层合板理论计算夹层板的整体刚度。依据夹层板的整体刚度,求解正交异性板的弯曲平衡方程,计算出夹层板的弯曲变形分布;通过求出的变形,应用虎克定律,即可推导夹层板的弯曲应力分布。[结果]通过算例验证,与文献[7]的方法相比,本文方法计算的刚度误差为-6.98%;与有限元法相比,本文方法计算的夹层板变形最大误差为-2.01%,应力最大误差为3.63%。[结论]这种分层累加计算整体刚度的方法,不仅可避免完全直接采用文献[7]的方法计算刚度时的复杂繁琐推导,而且用于弯曲计算还可获得较好的精度。     

复合材料螺旋桨弯扭耦合刚度特性分析

[目的]复合材料螺旋桨的弯扭耦合变形程度反映了桨叶的刚度特性,而桨叶刚度特性又与其水动力性能存在一定的相关性,将从刚度的角度对复合材料螺旋桨的纤维铺层进行优化设计.[方法]首先,以DTMB 4383复合材料螺旋桨为研究对象,基于复合材料螺旋桨流固耦合自迭代算法,构建桨叶弯扭刚度数值计算方法;然后,分别在桨叶铺设单向碳纤...     

船用膜片联轴器的膜片组件简化建模方法及模态试验

针对船用膜片联轴器的膜片组件螺栓连接的复杂性问题,基于薄层单元法对膜片组件的有限元模型进行简化,提出一种新型简化建模方法——结构分割法。对模型静刚度进行计算,确定结构分割法中结合面单元的弹性模量和泊松比。该方法相较于传统的薄层单元法计算效率更高。将结构分割法模型的模态仿真结果与试验结果进行对比,结果表明,结构分割法模态分析得到的振型与试验测得的前三阶振型吻合较好,固有频率误差均在10%之内,验证简化模型仿真的正确性,可为船用膜片组件结合部动力学快速有效建模提供思路。     

海港工程活动式防浪结构有限元分析

针对一种新型海港活动式防浪结构,基于有限元法建立4种分析模型进行模拟计算。对比分析可知,利用接触面上节点自由度耦合方式创建的有限元模型更适用。运用上述有限元模型,分别对活动式防浪结构的应力、位移和螺栓内力进行求解,以及分析钢材厚度变化对组合结构力学性能的影响。结果表明:钢构件下端拉、压应力较大,需重点加强;板厚越小,组合结构的应力和变形越敏感。结合防浪结构的安全性和经济性,提出设计和优化要点,为工程应用提供参考。     

初应力状态下夹芯复合材料曲梁面板的局部振动的理论分析

在船舶领域,以复合材料层合面板及泡沫芯材组成的夹芯复合材料板梁结构已大量应用在游艇及复合材料高速艇上.文章研究了受初始静载荷作用下夹芯复合材料曲梁的面板的局部自由振动问题,并给出一种相应的理论分析方法.文中通过将芯材简化为Winkler弹性地基,将面板简化为一复合材料曲梁,从而使所研究问题蜕化为有初始静载荷作用下弹性地基上任意曲梁的固有振动问题.在局部振动位移是基于初始静载平衡位置并与初始位移相比是小量的假定的基础上,根据能量原理推导出面板的运动方程.研究的结果表明,该面板的局部振动不只取决于面板的弯曲刚度和长度,以及芯材的弹性刚度,也在很大程度上取决于梁的曲率及面板所受到的初始轴向压力.     

耐压壳体局部腐蚀稳定性计算方法

文章提出了可以计及局部腐蚀损伤影响的等效层合单元方法,建立了局部腐蚀等效弹性模量计算公式,针对耐压壳体局部腐蚀深度、腐蚀强度、腐蚀范围和初挠度进行了系列稳定性数值计算,通过计算结果的对比分析提出了将局部腐蚀等效为附加多波挠度的稳定性近似计算方法,给出了附加挠度幅值的计算公式,可用于耐压壳体局部腐蚀的稳定性分析。     

粘弹性阻尼夹层板动力特性分析及其试验研究

本文在数值计算和试验的基础上研究了阻尼夹层板的动态特性和振动响应计算方法.在小变形线弹性理论的基础上,构造了阻尼夹层板单元.将三层板都看成Mindlin板单元,以各层的中面为坐标平面建立局部坐标系来建立有限元模型,考虑了偏心阵的作用,大大简化了计算程序.粘弹性采用常复数模型,用求解复特征值的方法求得了其固有频率和损耗因子.在此基础上编制了相应的有限元计算程序,进行了较详细的数值计算与分析,并讨论了粘弹性阻尼层的厚度、模量、损耗因子对结构动力特性的影响,得到了有工程应用价值的一些结论.同时分别对单层铝板、自由阻尼层板和约束阻尼层板进行了模态试验和响应试验,识别了结构的阻尼,验证了理论计算的正确性.本文还给出了阻尼夹层板结构动力响应的一种近似计算方法:将粘弹性材料看成完全弹性的材料,将粘弹性材料的阻尼以比例阻尼的形式给出,利用试验得出或估算公式给出结构模态阻尼,采用直接积分法求解.计算了简谐激励下的响应,并与实测的结果进行了比较分析.结果表明了该计算方法的合理性,为工程近似计算提供了一种简便的计算方法.     

A multiscale material-structure-hydroelasticity coupled analytical model for floating sandwich structures with hierarchical cores

A novel material-structure-hydroelasticity coupling analytical model is proposed for marine structures, which is utilized for the calculation and optimization of a very large floating sandwich structure (VLFSS) with a hierarchical ultrahigh-performance concrete (UHPC) core in this study. For the coupling material and structure analysis, three-dimensional representative volume element and self-consistent methods are developed to reveal the physical relations between the UHPC core's macroscale mechanical properties (e.g., modulus and density) and mesoscale hierarchical characteristics (e.g., aggregate and porosity) and to obtain the corresponding parameterized formulas. For the coupling material-structure-hydroelasticity analysis, a sixth-order dynamical equation for the potential flow model of the VLFSS, in which the hierarchical core's parameters are introduced through the material-structure coupling formulas, is developed. The hydroelasticity equations containing multiscale parameters are solved, and the mechanical responses are calculated. Using this coupled multiscale method, the shear force in the representative VLFSS is optimized for a smaller amplitude, which relies on the interactivity of the hierarchical structural parameters and wave conditions. These results demonstrate the potential of the multiscale coupling methodology to achieve the physically significant optimization of a floating composite structure in ocean engineering.     

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。     

U型水舱结构阻尼对减摇性能影响的数值计算研究

水舱的结构阻尼是影响减摇效果的重要因素之一,目前阻尼最常用的研究方法是模型衰减试验。本文在验证了数值方法准确性的基础上,通过基于VOF方法全尺度CFD数值计算,比较了三种不同阻尼结构的水舱周期和阻尼的变化,并在此基础上进行强迫振荡模拟,对比三种结构的水舱抗摇力矩及其相位的变化,最后本文提出了一种基于数值计算的评估水舱在规则波中减摇效果的方法,结果表明该评估方法能够很好地反映阻尼结构对水舱减摇效果的影响,在水舱的设计中可作为阻尼结构的设计依据。     

Flexural wave bandgap and isolation characteristics of vibration and sound in periodic sandwich plates北大核心CSCD

[目的]旨在研究轻质夹芯板弹性波的传播规律与减振降噪机理。[方法]采用有限元方法结合布洛赫定理,对周期性夹芯板色散关系与弯曲波带隙特性进行研究,分析振动传输特性和声传输特性,研究轻质夹芯板减振降噪特性,并对轻质夹芯板振动传递衰减特性进行实验验证。[结果]研究结果表明,由于布拉格(Bragg)散射调制作用,轻质夹芯板在特定频段存在弯曲波带隙,弯曲振动带隙频率范围内具有良好的减振降噪效果。[结论]轻质夹芯板结构参数对弯曲波带隙具有显著的调节作用,为舰船结构振动噪声控制与声隐身设计提供了新的技术途径。     

粘弹性复合材料结构水中振动及声辐射研究进展综述

文章系统回顾了水中结构振动和声辐射的理论和计算方法.介绍了声场和水中弹性结构声-振耦合问题求解的理论及数值方法的研究情况.文中也回顾了粘弹性复合材料板壳结构动态特性和声辐射的研究情况,并对水中粘弹性复合材料结构声辐射问题的研究前景进行了展望.     

A theoretical calculation method of irregular bridge span pontoon connected by elastic hinges

In this paper, a theoretical calculation method that can be generally applied to responses analysis of irregular bridge span pontoon connected by elastic hinges was proposed based on the elastic foundation beam theory. This method can solve the displacements, rotation angles, bending moments and shear forces of pontoon bridge under vertical static loads. By comparing with the experimental and numerical results in other researches, the correctness and universality of theoretical method are verified. The main response characteristics of the pontoon bridge under vertical static loads are further investigated based on a detailed case study, which contrasts the results of three methods including the theoretical method in this paper, AQWA software and FEM. The results reveal that the rotation stiffness of elastic hinges has a great influence on the responses of the pontoon bridge. The elastic deformation of the pontoon units can be ignored when the rotation stiffness of hinges is small, while it needs to be considered seriously when the rotation stiffness of hinges reaches a certain value. Besides, the flexural rigidity of pontoon bridge also has a sensitive influence on the numerical results. The theoretical method can provide for the optimal design of the pontoon bridge and has significant engineering application prospects.     

弹性背腔穿孔管水消声器有限元分析

为提高穿孔管水消声器的消声性能,利用结构声耦合数值分析模型探究弹性壁与水介质的耦合作用对消声器传递损失的影响,分析弹性背腔腔壁的厚度和弹性模量以及采用弧形背腔时的弧形半径对消声性能的影响。数值分析研究结果表明:较刚性背腔条件下,弹性背腔穿孔管水消声器的低频吸声效果得到明显提高;减小弹性背腔壁的厚度和采用更小弹性模量的橡胶材料,或者采用较小半径的弧形弹性背腔可以降低弹性背腔穿孔管水消声器的吸声频率。同时,吸声效果也得到提高。     

有限水深复合格林函数的数值计算

有限水深格林函数值的正确求解对处于浅水的海洋结构物运动响应和载荷计算起着非常关键的作用.本文根据海洋结构物的物面对称性,在有限水深复合格林函数表达式的基础上推导出了格林函数偏导数的数值计算表达式,并对格林函数的奇异性进行了分析.采用抛物线积分法对其进行了积分,为有限水深海洋结构物的水弹性分析奠定了基础.计算结果表明,利用抛物线积分法所求得的运动响应与挪威DNV船级社SESAM软件的计算结果吻合得很好.     

顶浪、斜浪中复合材料双体艇艇体结构耦合响应数值分析

采用流固耦合（Fluid-Structure Interaction,FSI）的艇体波浪载荷和结构响应的数值分析方法,对顶浪、斜浪中复合材料双体艇结构的动态响应进行研究。分别建立了完整的复合材料艇体有限元模型以及流场模型,基于数值水池造波技术,通过计算获得了顶浪、斜浪中复合材料艇体结构的时域动态响应结果,选取高应力梯度区域,通过网格加密重构同时获得了复合材料的层间应力。选取具有代表性的前10大等效应力与内外面板最值主应力,在将 FSI与传统基于经验公式的有限元法（Finite Element Method,FEM）的结果对比中发现,FSI中拱、中垂的计算结果更接近于 FEM弯扭组合工况,而采用《钢制双体船直接计算指南》计算复合材料双体艇时,所用经验公式的顶浪航行波浪载荷计算值偏小。     

夹层结构模型假设对振动和声传输特性影响研究

不同模型假定下夹层结构的声振特性各不相同。基于Reissner模型和Zig-Zag模型位移场假设,分别建立了两种复合材料夹层板有限元动力单元模型,并通过推导的模型编制了计算程序,采用子空间迭代法求得了其固有频率和固有振型,采用混响声场声传输理论计算了传声损失,并对夹层板的动力特性和声传输特性进行了数值模拟研究,同时还考虑了夹层结构面板与芯板的厚度比和弹性模量比不同时各种模型的适用范围。