单双壳体典型结构耐撞特性模型试验研究及仿真分析

基于单双壳体典型结构特征,以总重量相近为基础,分别设计单双壳体结构缩比试验模型,针对单壳和有舷间水双壳模型状态,以230kg球形撞击体,初速7.8m/s侧向撞击为载荷工况,开展单双壳体典型结构耐撞特性模型试验研究。通过对撞击后结构模型的损伤状态及相关参量的观测,试验结果显示,单双壳体结构撞击载荷作用下结构的失效及破坏模式存在较大差异;进一步结合高瞬态非线性有限元程序MSC/Dytran对模型试验过程中的结构动态响应特性以及构件吸能分布特性开展深入分析,研究结果显示:不考虑外壳外部附连水影响时,由于舷间水和结构构件分散的影响,双壳结构的撞击载荷过程延长,冲击载荷峰值低于单壳结构,但耐压壳体撞击形变区域相对集中,凸起明显;单壳结构撞击形变影响区域较大,撞击力作用时间短,冲击载荷峰值较高。通过综合分析单双壳结构撞击力历程特征曲线、构件塑性变形能分布规律特性分析,可以认为随着撞击强度的不断增加,单壳结构的剩余强度将趋近于双壳结构耐压壳体。     

典型攻击武器作用下单壳体潜艇响应规律

采用平摊板厚方法,将双壳体潜艇的非耐压壳体的刚度和质量折合到耐压壳体,从而形成一个近似的单壳体潜艇。在此基础上,利用大型有限元软件对单壳体潜艇结构的冲击环境进行数值仿真研究,提取典型武器单发命中单壳体潜艇时潜艇结构不同位置处的冲击响应,对典型位置进行傅离叶谱分析和冲击响应谱分析。通过对比分析得出结论:正下方工况爆炸时潜艇的冲击响应以垂向响应为主;耐压壳和内部结构响应具有明显的规律性;各部位的冲击响应主要以中频段为主,高频的成分丰富,响应差异很大。相关结论为单壳体潜艇的艇体冲击环境评估以及进一步对其生命力水平的评估提供依据。     

敷设声学覆盖层的标准潜艇低频目标强度分析

敷设声学覆盖层可以吸收入射声波并降低辐射噪声,是声隐身的常用手段。采用耦合有限元方法分析敷设声学覆盖层的标准潜艇收发合置低频目标强度,包括单壳体模型和双壳体模型。首先,建立声-壳-结构耦合有限元模型,并验证了模型的准确性。其次,分析了单壳体标准潜艇的目标强度,结果表明敷设声学覆盖层可以改变目标强度曲线的起伏特性,在某些频率点或入射角度,敷设声学覆盖层时的目标强度甚至比未敷设时更大。此外统计表明,敷设声学覆盖层可以略微降低平均目标强度。最后,分析了双壳体标准潜艇的目标强度,结果表明外壳敷设声学覆盖层可以改变目标强度曲线的起伏特性并且略微降低平均目标强度,而在此基础上再增加内壳声学覆盖层则几乎没有效果。     

潜艇圆筒形耐压壳体结构的分析与优化

本文讨论了潜艇圆筒形耐压壳体结构的分析与优化。强度分析采用迁移矩阵法,稳定性分析采用样条能量法。在此基础上,以壳体重量为目标函数对结构进行了优化设计。另外,还以潜艇典型耐压舱段为例讨论了变刚度肋骨对减轻重量的影响。为了方便初步设计,还给出了一些典型变刚度加肋圆柱壳的强度和稳定性近似分析公式。     

单/双层水下结构振动声辐射研究

为研究单壳体和双壳体两种典型潜艇结构的振动声辐射特性,本文建立单/双层桨-轴-壳体简化模型,利用三维水弹性力学理论和三维水弹性声学分析软件,分别计算螺旋桨激励、外部流体激励以及机械激励3种激励源下水下结构的辐射声功率声源级曲线。结果表明:螺旋桨激励下,单层水下结构声辐射略低于双层结构;外部流体和内部机械设备激励下,单层水下结构声辐射明显高于双层结构。     

潜艇典型结构受多物体撞击数值仿真的试验验证

以双壳体潜艇的典型结构—双层环肋圆柱壳受多物体撞击为研究对象,开展了模型试验,并与仿真计算结果进行对比,验证了有限元数值仿真方法对求解该类问题的有效性。还从结构损伤变形、撞击力历程和能量转换等方面对多物体撞击壳体过程的动响应特性进行了分析。研究成果将为潜艇抗撞能力的评估及抗撞结构的设计提供参考。     

层间水对水下双层结构撞击历程的影响分析

双层壳体结构是潜艇等大型水下结构的重要结构形式,潜艇结构的水下碰撞是潜艇的主要事故形式,然而,针对双层壳体的潜艇结构水下碰撞问题的研究工作目前却极为有限.文中首先提出潜艇碰撞问题,并对其碰撞特征进行分析,然后针对潜艇水下碰撞环境下,层间水对碰撞历程的影响和双层结构的碰撞特点进行了理论分析,在数值仿真计算的基础上,着重讨论了双层板结构在碰撞过程中,层间水对撞击速度、碰撞力以及双层板吸能特性的影响,分析结果显示,层间水对双层壳板撞击历程的影响主要体现在两方面:一是接触初始阶段,耐压壳板将由于层间水的存在,与非耐压壳板组成抗冲击弹簧体系参与抗冲击作用,吸收冲击能量,这对于双层壳板的防撞性能是有利的;二是非耐压壳板穿透后,层间水的影响主要体现为水对耐压壳板的粘附作用,耐压壳板的抗撞能力显著下降.     

潜艇典型结构在撞击载荷作用下动态响应的试验研究

针对潜艇典型结构单元（加筋平板和加筋圆柱壳）在受到撞击载荷作用下的损伤变形模式和撞击过程中结构的动态响应进行试验研究。研究结果表明：筋材的内置和外置对平板和壳体结构的损伤变形模式具有很大影响，但对加筋板和加筋圆柱壳模型结构整体的吸能特性并无太大影响；壳体结构与平板结构相比较，具有更好的吸能特性，平板结构具有更好的抗撞击能力。     

单壳体潜艇承水压结构钢质模型设计

受到深水环境中的高压条件的影响,潜艇外部钢质结构所承受的压力巨大,为了能够准确的获得钢质结构外部单壳体的承水压数据,提出基于受力特征分析的单壳体潜艇承水压结构钢质模型设计。首先,基于受力特征分析对潜艇外部结构进行内弧立波的作用力分析,将分析参量作为模型的基础参量;接着,对潜艇的外部单壳体钢质结构进行建模;最后,结合基础参量对结构模型的承水压参量进行计算,从而完成对提出设计模型的设计。通过仿真实验,对设计模型的可行性进行验证并得出实验结论。     

潜艇水下碰撞特性数值研究

为分析碰撞中潜艇结构的损伤特性,选取2500t级双壳体潜艇作为研究对象,对潜艇结构进行等比例实体建模,并采取潜艇船艏与舷侧部位的撞击形式.利用大型非线性有限元软件Ls-Dyna,从能量、碰撞力和冲击环境3个角度研究碰撞的影响,得出以下结论：潜艇外壳及中间结构是吸能的主要结构,刚度较弱的潜艇艏部会产生大的塑性变形区,而刚度较强的舷侧结构的响应则以动能为主,且伴随着小范围的塑性变形区;撞击力在艏部临界速度附近,产生单峰值及双峰值现象,并确定临界速度值约为15～16kn;船长方向的冲击环境成对数函数分布,按中级损伤程度,对艇员的影响区域为距离船艏撞击区约0.11倍艇长范围.     

船舶结构碰撞相似律的数值研究

针对船舶耐撞特性研究问题的特点,提出进行结构碰撞相似律研究的必要性和重要性。利用相似理论分析了碰撞过程的相似参数,建立了船舶结构耐撞性研究中的相似律关系。在此基础上以平板结构撞击特性研究为计算模型,应用显式有限元程序MSC/Dytran对满足比例关系的撞击过程进行数值仿真计算。计算结果表明,原型与比例模型的撞击响应特性符合相似律。考虑到船用材料的率相关性,针对相似加筋圆柱壳结构进行撞击比较分析,认为由于高强度低合金结构钢的率效应不敏感,且撞击载荷速度较低,相似律仍然成立。     

大型集装箱船舱段有限元强度分析

随着集装箱船的大型化,有限元计算已是必不可少的分析手段.舱段有限元分析的目的是根据实际装载的垂向弯矩计算,得出船舶中部构件的综合应力及变形.通过分析,得出船体主要纵向及横向的结构件尺寸.着重介绍利用MSC PATRAN和MSC/NASTRAN软件对某大型集装箱船的货舱舱段进行了结构强度的有限元分析.     

锚机机座有限元分析与试验研究

建立锚机机座组件的三维实体模型,用有限元分析软件进行线性静力和强度分析,测量机座特征点的应力值,验证了模型的正确性,为锚机的优化设计提供依据。     

联合弯矩作用下含裂纹船体结构剩余极限强度评估方法研究

裂纹损伤对于船体结构来说难以避免,将削弱结构的极限强度,所以研究含裂纹损伤船体结构的剩余极限强度意义重大.对于含裂纹舱段结构,现有的研究主要针对垂向弯矩作用下的剩余极限强度,对于联合弯矩作用下的研究还很欠缺.本文采用非线性有限元分析方法,研究了垂向弯矩和水平弯矩联合作用下含裂纹舱段的剩余极限强度.提出了计算含裂纹船舯舱段在联合弯矩作用下剩余极限强度的计算公式,通过对含裂纹箱型梁的有限元计算结果进行拟合,得到公式中待定系数的表达式.研究结果表明,本文提出的方法可以快速预测船体结构在联合弯矩作用下的剩余极限强度.     

82000dwt散货船结构强度有限元分析

为优化升级主流船型,对82000dwt散货船作了船体结构强度的有限元分析。首先根据2005年美国船级社规范,评估母型船的结构强度。其次根据散货船共同结构规范2008版及2009版,对开发的新船型进行了货舱结构的整体有限元分析和疲劳敏感区域精细网格有限元分析。计算结果表明,母型船的结构强度满足旧的规范要求,新船型的结构需要进行加强,新规范的修订有利于船舶结构设计的优化。     

CSR节点力施加方法对集装箱船总强度评估的适用性研究

以10 000 TEU集装箱船为例,分别采用DNV规范中的节点力法及《油船散货船共同结构规范》(CSR)中的节点力法对其总强度进行计算。对比二者的计算结果,分析CSR节点力施加方法对集装箱船总强度评估的适用性及其优缺点。结果显示,CSR节点力施加方法适用于集装箱船总强度评估,且可有效避免局部应力集中现象。     

超声冲击处理对高强钢焊接接头残余应力影响的数值模拟

超声冲击处理(UIT)是一种有效的焊后改善焊接接头疲劳性能的工艺措施,其借助机械撞击和超声振动的共同作用,使焊趾表面产生塑性变形从而引入有益的压缩残余应力。为评价UIT技术对焊接接头残余应力的影响,该文提出了一套新的数值分析方法,包括焊接数值模拟及随后的超声冲击处理过程的动态弹塑性有限元分析。在有限元模型中考虑了实际的工艺参数和超声促成的材料软化效应。以船用高强钢AH36非承载十字焊接接头为研究对象,将预测的超声冲击处理前后的残余应力分布与实验结果进行对比,两者有较好的吻合。在此基础上,探讨了静态预载荷对超声冲击处理态残余应力再分布的影响。     

A study on scantling formulae of plate members due to lateral pressure under the effect of axial loads

Existing rule scantling formulae of plate members are based on conventional plastic design theory, and do not necessarily reflect complicated plate bending phenomena under axial loads. In this study, we first formulated the effect of axial load on the fully plastic moment based on the von Mises yield criterion for longitudinally stiffened plate in addition to the well-known formula for transversely stiffened plate. In addition, we derived a theoretical formulation of the lateral pressure corresponding to 2-point hinge and 3-point hinge formation taking account of the effect of the additional lateral force due to the axial loads on the deflected plating, using a simple plate strip bending model assuming a long plate with a large aspect ratio.Then, a series of elastic-plastic FE analyses was carried out to verify the structural behavior and the effect of axial load on the plate plastic bending strength. The plate strength was evaluated based on the residual deflection criteria of two cases (0.26 mm and 4.0 mm), and the results were compared with the theoretical derivation. As a result, it was found that assumption of linear strength reduction to the axial stress can cover the transversely stiffened plate under compressive axial stress conservatively. As to the transversely stiffened plate under tensile axial stress and the longitudinally stiffened plate, the strength reduction was in accordance with the reduction in the fully plastic moment based on the von Mises yield criterion in the conservative side. Finally, based on the findings, the required plate thickness coefficients were proposed on an empirical basis both for transversely and longitudinally stiffened plate under compressive and tensile axial loads.     

Buckling and ultimate capability of plates and stiffened panels in axial compression

This paper presents extensive non-linear finite element (FE) analysis and formulation development work carried out on the ultimate compressive strength of plates and stiffened panels of ship structures. A review of contemporary designs for large ships was carried out. The existing formulae for plate ultimate compressive strength were reviewed and compared with non-linear FE analysis results. A semi-analytical formula for ultimate compressive strength assessments of stiffened panels was proposed and is described. The developed formula was verified against results using ABAQUS non-linear FE software for a series of 61 stiffened panels and a good agreement between the proposed formula and FE results were achieved. The method was verified against a large number of published FE results and was also compared with 58 experimental results. The developed method was also applied to the deck and bottom structures for a range of various sizes oil tankers and bulk carriers.