考虑静水压力的加筋圆柱壳体径向碰撞机理研究

水下碰撞是水下结构物的主要事故形式之一,而深水静压载荷环境下的碰撞、触礁等问题是深水静压和碰撞联合载荷作用下的结构响应问题,是最为危险的碰撞环境.采用MSC/Dytran大型非线性动力有限元程序,建立数值有限元模型,考虑深水静压和外物撞击的联合作用,进行深水静压环境、无水压力环境下以及不同撞击载荷多工况碰撞环境和撞击历程的数值分析,对加筋圆柱壳体碰撞载荷作用下的变形、失效机理和变形历程进行比较,分析了不同速度、质量撞击物撞击载荷作用下撞击强度、深水压力载荷等对碰撞历程的影响和加筋圆柱壳体深水碰撞环境下的动态响应特性和碰撞机理.结果显示:由于准静压载荷的附连联合作用,撞击形变将不可避免地带来准静压载荷的做功,其能量将直接由结构吸收,从而将导致加筋圆柱壳体结构的防撞能力急剧下降.同时,随着静水压力的增大,撞击初始阶段所产生的小变形将导致圆柱壳体的整体环向失稳,从而导致壳体整体迅速压溃,因此,深水环境下结构碰撞问题的研究主要是结构的初始稳定性问题的研究.圆柱壳体通过横向平台的加强后将有效提高壳体结构的横向失稳临界应力,从而能够明显地改善加筋圆柱壳体结构的径向耐撞能力.     

加筋圆柱壳体支撑结构振动传递特性试验研究

支撑结构型式和布置位置对加筋圆柱壳体内振动传递特性具有重要影响。文中设计了加筋圆柱壳体试验模型装置,内含壳体支撑结构、平台支撑结构和舱壁支撑结构,开展了加筋圆柱壳体模型的振动模态试验和传递特性试验。以振动传递函数为评价指标,研究了不同频率下支撑结构至加筋圆柱壳体表面的振动传递特性,得出振动传递特性在低频时很大程度上受到壳体结构振动模态的影响。提出等效振动传递函数概念,分析了支撑结构的型式及布置对加筋圆柱壳体传递特性的影响。试验研究结果有助于控制动力机械设备的中低频振动传递,对加筋圆柱壳体内支撑结构的声学设计具有参考价值。     

复合材料纵横加筋圆柱壳自由振动分析

使用能量法分析了两端简支复合材料纵横加筋圆柱壳的自由振动特性,从Love's理论出发,分别计算壳体面板和纵横加筋结构的应变能和动能,然后代入Lagrange方程得到频率方程.通过比较,文中的计算方法所得到的结果与文献比较吻合.采用平均法计算的结果比采用离散方法计算的结果偏小.最后还研究了壳体和加筋结构参数以及静水压力的变化对圆柱壳自由振动频率的影响.文中利用平均法来处理加筋结构,简化理论推导并减少了计算.     

基于映射声无限元法柱壳振动声辐射特性分析

基于径向形函数可任意变阶的映射声无限元法,对加筋双层圆柱壳的振动声辐射特性进行分析.取无限长圆柱壳体为研究对象,基于映射声无限元法,通过数值计算法对其辐射声场进行研究分析;并将其数值结果与解析解进行对比分析,结果显示二者吻合较好,验证了本文方法的可行性,同时发现此方法具有计算精度好、效率高等优点.在此研究基础上,基于映射变阶声无限元法,对加筋双层圆柱壳的内壳振动特性和远场声辐射特性进行分析,分别讨论内外壳厚度、型材尺寸和托板厚度对加筋双层圆柱壳内壳体表面振动均方加速度级及远场辐射声压级的影响,其分析结果表明,内壳厚度结构参数对其内表面振动均方加速度级及远场辐射声压级的影响最明显.     

加筋圆柱壳与圆锥壳屈曲特性样条元分析

本文用样条元分析加筋圆柱壳体和圆锥壳体在静水压下的屈曲特性,利用样条函数的数学性质导出结构屈曲特性分析的各步长矩阵,将等步长样条元推广为变步长,计算了加筋圆柱壳体和圆锥壳体在小变形和大变形情况下的屈曲值。讨论了纵向尺寸和间距变化对其屈曲压力的影响,并与其它经典算法进行了比较。     

基于声学无限元法的加筋圆柱壳声振特性研究

以无限长圆柱壳体为研究对象,基于声学无限元法利用数值计算方法对其结构外声场进行分析,对加筋圆柱壳的振动和远场水下噪声特性进行研究,讨论外壳厚度、内壳厚度、托板厚度、型材尺寸等结构参数对壳体表面振动均方加速度级及远场辐射声压级的影响。结果表明:改变外壳厚度参数对其表面振动均方加速度级及远场辐射声压级影响最大。     

敷设阻尼材料双层壳体低阶模态声辐射性能分析

主动控制系统最适用于控制低频谐波噪音。本文研究的是流场中敷设阻尼材料的有限长加筋双层圆柱壳的低阶模态声辐射性能，壳体的振动用Fligge壳体方程来描述，通过将加筋结构等效为反力和反力矩加在圆柱光壳表面上，采用Helmholtz波动方程和壳体表面的边界条件推导出声一流场一结构的耦合振动方程，然后采用相应的求解方法进行求解。理论结果用辐射声功率和表面振动均方速度级的形式表示。数值计算结果表明低阶模态对壳体声辐射起着主要作用。作者亦详尽讨论了阻尼材料物理性能对壳体低阶模态声学性能的影响，这对壳体振动和噪声性能主动控制有着重要的实用价值。     

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。     

流场中变截面加筋柱壳结构声振特性分析

基于传递矩阵法给出了流场中变截面加筋柱壳结构在受集中力和声压作用下振动与声辐射的求解过程,并在确定模态截断算法有效性的基础上开展对结构振动特性的研究,分析了环板-圆柱壳加筋柱壳结构的损耗因子、流体介质、壳体厚度、环肋数目对其声振特性的影响。结果表明,流体介质的存在使结构振动减小,辐射声压增加;损耗因子增加,振动和辐射声压在中高频段降低;壳体厚度增大,壳体的振动响应减小,低频段辐射声压降低,高频段辐射声压交叉波动;环肋数目增加,结构振动减小,在中高频段,辐射声压降低。     

流场中变截面加筋柱壳结构声振特性分析

基于传递矩阵法给出了流场中变截面加筋柱壳结构在受集中力和声压作用下振动与声辐射的求解过程,并在确定模态截断算法有效性的基础上开展对结构振动特性的研究,分析了环板-圆柱壳加筋柱壳结构的损耗因子、流体介质、壳体厚度、环肋数目对其声振特性的影响.结果表明,流体介质的存在使结构振动减小,辐射声压增加;损耗因子增加,振动和辐射声压在中高频段降低;壳体厚度增大,壳体的振动响应减小,低频段辐射声压降低,高频段辐射声压交叉波动;环肋数目增加,结构振动减小,在中高频段,辐射声压降低.     

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。     

加筋板壳结构冲击屈曲研究

本文对近年来加筋板壳结构的冲击屈曲研究进行了回顾，对不同冲击载荷作用下加筋板和加筋圆柱壳的冲击屈曲现象分别做了阐述；讨论了冲击载荷、几何尺寸、初始缺陷以及加筋形式等因素对冲击屈曲的影响；最后指出了需进一步深入研究的问题。     

变截面加筋柱壳结构振动特性分析

采用Riccati变换和传递矩阵相结合的方法,对一种典型的变截面加筋柱壳—锥柱组合壳加筋结构的振动特性进行分析,建立求解真空中变截面加筋柱壳结构强迫振动的半数值半解析法,并用通过与有限元法计算结果的对比,验证该方法的有效性。同时,分析锥壳与柱壳交角及环肋尺寸对锥柱组合壳加筋结构振动特性的影响。结果表明,交角的存在能显著降低壳体的振动,环肋的尺寸在低频时对振动影响较小,高频时随着环肋尺寸的增加能整体上减小结构的振动,但在部分响应峰值点加速度显著增大。     

双层圆柱壳受物体撞击损伤过程数值仿真

圆柱壳是海洋工程结构物和潜体中广泛采用的结构单元,为了研究其在物体撞击作用下的响应以及撞击角度对撞击响应的影响,文中采用大型非线性动态响应分析程序MSC.Dytran,分不同撞击角度,对双层圆柱壳结构受射弹撞击过程进行了数值仿真,研究分析了圆柱壳结构的损伤变形、能量吸收及撞击力的变化情况.文中的计算结果对圆柱壳结构物的抗撞击分析研究及合理的结构设计有参考价值.     

撞头形状对环肋圆柱壳水下碰撞特性的影响

静水压力与径向撞击联合作用是环肋圆柱壳所面临的最危险的载荷环境之一。采用MSC.DYT-RAN非线性瞬态有限元软件,对不同静水压力下,环肋圆柱壳受不同形状撞击体撞击的过程进行数值仿真,探讨不同撞头形状对结构变形吸能及碰撞力的影响规律,比较两种静压环境下碰撞结果的差别。分析表明,不同形状的撞头主要通过尖锐程度和接触面积来影响结构的变形及吸能,两种静压影响机理不同。     

蛋形水下耐压壳的屈曲行为研究

针对蛋形水下耐压壳结构的稳定性开展数值模拟研究,给出蛋形壳体的几何建模方法,基于Abaqus有限元仿真软件获得蛋形壳体的屈曲临界载荷和屈曲模态,并与Mushtri方程的理论结果进行对比研究,验证仿真模型的精确性。同时,为提高蛋形壳体的稳定性,提出一种加筋结构,研究加筋方式和加筋厚度等因素对壳体稳定性的影响规律,结果显示加筋结构对壳体的稳定性有显著增强效果,其中,环向加筋比纵向加筋效果更为明显,但加筋体厚度影响较小。分析还发现,壳体自身厚度对屈曲特征量的影响最大。     

含轴对称裂纹的圆柱壳输入功率流特性

广泛应用于船舶与海洋工程等领域的圆柱壳结构因冲击、腐蚀、交变载荷等外力作用下常出现裂纹损伤，因此，对含裂纹的圆柱壳结构的动态特性进行研究具有重要意义。对含有环向轴对称表面裂纹的无限长圆柱壳的振动与输入功率流特性进行研究，将壳体中的表面裂纹模拟为线弹簧，运用线弹性断裂力学，考虑到裂纹的张开、滑移和撕裂三种状态，建立了裂纹区域的局部柔度矩阵。分析了在周向线力作用下圆柱壳在呼吸模式下的振动与波传播特性，并讨论了壳体中的输入能量流与裂纹参数和结构参数之间的联系。结果表明裂纹的存在改变了壳体中的振动波和能量的传播特性，裂纹的位置和深度与功率流特性密切相关。     

敷设阻尼材料的圆柱壳声辐射性能实验分析

对有限长的敷设阻尼材料的加筋双层圆柱壳进行振动和声辐射实验，测量壳体的结构响应和水中的辐射声压。对全部敷设隔声去耦材料、内壳全部敷设隔声去耦材料、外壳全部敷设以及外壳部分敷设四种工况下的近场声压进行对比，分析单频激振时内外壳体的振动特性，表明托板在内外壳的振动传递中起着较大的作用，内外壳全部敷设隔声去耦材料对抑制振动和声辐射很有效。     

基于改进非支配排序遗传算法的纵横加筋圆柱壳多目标优化

加筋圆柱壳广泛用于航天、航空和船舶领域,它在静力作用下的设计得到了广泛的研究.针对水下纵横加筋圆柱壳设计时多个性能指标要求,基于改进非支配排序遗传算法,建立了纵横加筋圆柱壳的多目标优化模型.考虑跨度中点处壳板纵剖面上的中面应力、肋骨应力和结构重力为目标函数,约束条件考虑强度和稳定性指标以及材料的几何特性.通过设定遗传算法参数,给出了Pareto解集,并分析了不同材料参数和工作水深对结果的影响.决策者可以根据决策偏好,选择最后的折中方案.     

纵横加筋圆柱壳结构的多目标优化设计

随着潜艇下潜深度的不断增加和高强度钢材的使用以及壳体上开孔的增多，大直径环肋圆柱壳的纵向刚度不足的问题逐渐凸现出来，而纵横加筋的结构形式不失为一种有效、实用的解决方案。本文以大的容积重量比为目标，采用多目标分层序列优化法和遗传算法对纵横加筋圆柱壳进行优化分析，并以matlab为平台开发出了相应的程序，运用程序系统进行了系列多目标优化设计数值分析，得出了若干有益的结论。同时，本文开发的程序系统亦可供工程设计使用。