基于综合裕度的环肋圆柱壳多目标优化研究

圆柱壳的肋骨应力裕度较小而其它应力和临界载荷的裕度较大是设计中常见的问题。本文提出了综合裕度的概念,建立基于综合裕度的环肋圆柱壳多目标优化模型。目标函数为综合应力裕度、综合临界载荷裕度和重量。采用NSGA-Ⅱ算法进行优化求解,对Pareto解各属性裕度的统计结果显示肋骨应力裕度较小。并对肋骨许用应力值对优化结果的影响进行了分析,数据结果表明适当放宽肋骨的许用应力能解决肋骨裕度较小的问题。     

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.     

计及频率约束的潜艇环肋圆柱壳优化设计研究

基于多岛遗传算法,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和频率约束时质量最轻的优化设计问题,讨论了强度约束和稳定性与频率约束以及材料、几何参数对优化结果的影响.环肋圆柱壳经优化后,壳板的质量比例大约是70%,肋骨质量占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.提高材料的屈服极限,可以显著降低总质量,但是肋骨也很接近许用应力标准.     

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.     

环肋圆柱壳应力分析的一种新方法

本文将环肋圆柱壳分解为肋骨腹板、肋骨翼板和圆柱壳三个部分进行联立求解,获得环肋圆柱壳应力计算的一个比较精确的方法.通过实例计算并与规范中的计算方法[2]比较,可以观察到肋骨偏心对圆柱壳板和肋骨应力的影响,尤其是内、外肋骨布置方式引起的应力差异.对于大尺寸的内肋骨应力计算,规范方法可能会出现较大的不安全误差,应采用本文提出的新方法.     

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。     

加筋圆柱壳开孔围栏肘板拓扑优化设计

[目的]在水下耐压圆柱壳结构开孔围栏与环向肋骨连接处,易出现应力集中。[方法]为此,提出一种开孔围栏与环向肋骨连接肘板拓扑优化设计方法,以有效降低肘板区域的局部高应力。首先,采用子模型技术对连接肘板区域结构进行精细化应力分析;然后,以连接肘板为设计变量,考虑耐压壳板、围栏和肋骨特征点的应力约束,以肘板区域最大应力最小化为目标函数进行拓扑优化,并对拓扑优化结果进行工程化处理,得到最终的肘板形式。[结果]计算结果表明,面板局部加宽的肘板形式可以有效降低应力集中程度;开孔围栏位置横向偏置时,远离中纵剖面一侧的肘板面板加宽长度较大;连接肘板与开孔围栏中心偏置时,肘板面板关于其腹板对称设计即可。[结论]所做研究可为类似结构设计提供参考。     

肋骨刚度对环肋圆柱壳屈曲载荷的影响分析

在推导环肋圆柱壳屈曲临界载荷的基础上,通过能量与结构刚度之间的关系,分析了肋骨弯曲刚度、扭转刚度和压缩刚度对环肋圆柱壳失稳载荷的影响。分别折减肋骨弯曲刚度和壳板刚度,研究了不同位置的肋骨在环肋圆柱壳总体稳定性中的作用,并将单根肋骨刚度折减系数转换成所有肋骨的平均折减系数;分析了壳板刚度对环肋圆柱壳总体稳定性的影响,给出了肋骨和壳板刚度同时折减时环肋圆柱壳总体稳定性的计算方法。为环肋圆柱壳的设计以及含缺陷圆柱壳承载能力的研究提供了一种理论参考。     

基于统计能量法研究肋骨对双层圆柱壳声辐射特性的影响

[目的]潜艇的主要结构形式是环肋圆柱壳,目前关于肋骨对圆柱壳声辐射特性影响的研究大多集中在中、低频,但是振动声学问题涉及到更宽的频率范围。[方法]采用统计能量法研究宽频范围内肋骨对圆柱壳声辐射特性的影响。首先,分析圆柱壳增加肋骨后统计能量参数的变化;然后,研究耐压壳、外壳分别增加肋骨、改变肋骨间距、改变肋骨形状对圆柱壳声辐射特性的影响;最后,分析激振力作用在不同位置时,环肋圆柱壳声辐射特性的差异。[结果]得到了肋骨影响下双层圆柱壳在500 Hz～100 kHz范围内的统计能量参数和辐射噪声变化规律。[结论]研究结果对合理选用肋骨降低潜艇的振动与辐射噪声有一定参考作用。     

环肋圆柱壳肋骨侧向稳定性理论分析

根据环肋圆柱壳内置肋骨的侧向失稳特点,考虑肋骨腹板的弯扭变形影响和壳板对肋骨的转动约束影响,研究了肋骨的侧向失稳机理,基于能量法得到了肋骨侧向失稳临界应力的理论计算方法,通过实例建模的方式,将理论结果与有限元仿真结果进行对比分析,验证了该理论计算方法的正确性。     

基于Abaqus的环肋圆柱壳长舱段稳定性分析与结构优化

采用大型非线性有限元软件Abaqus分析了环肋圆柱壳长舱段的稳定性规律,对于环肋圆柱壳长舱段,随着舱段长度的增加,其稳定性的数值仿真解与解析解差别逐渐增大,有限元计算结果能够更加合理准确地反映其稳定性状况.现行规范对于环肋圆柱壳长舱段稳定性的求解适用性有所下降,应该考虑对理论公式进行修正.针对某种典型的环肋圆柱壳长舱段,分别采用一根和两根框架肋骨的方案进行结构优化以提高其总体稳定性,结果表明,一根框架肋骨的优化方案重量较轻,稳定性指标更加接近规范的容许值,两根框架肋骨则比较节省舱内空间.综合考虑,一根框架肋骨的方案更加合理.     

Calculation method of underwater acoustic and vibration response of cabin segment based on onshore vibration test北大核心CSCD

[Objective]This paper proposes a method for calculating the acoustic and vibration response of underwater cylindrical shell structures based on land-based vibration test results.[Methods]An axisymmetric boundary element method (BEM) is introduced to describe the radiation acoustic field of the shell. The relationship of acoustic pressure at the nodal point of the generatrix with velocity is obtained by solving the numerical solution of the boundary element integral equation, then the acoustic radiation impedance matrix of the outer surface of the shell and acoustic transfer vector (ATV) are constructed. Based on the assumption that the low-order vibration mode of an underwater cylindrical shell is the same as that of an onshore cylindrical shell, combined with the modes and acoustic radiation impedance matrix of an onshore cylindrical shell, the modal added mass and damping are calculated. [Results]The natural frequency calculation formula of the underwater cylindrical shell is established on the basis of the onshore mode, and the calculation method of underwater vibration response and acoustic radiation characteristics with the vibration response in air as input is obtained based on mode superposition method.[Conclusion ] The numerical results of a typical cylindrical shell with internal structure show that the method meets the engineering accuracy requirements. © 2023 Chinese Journal of Ship Research. All rights reserved.     

主要潜水器规范圆柱形耐压壳体设计计算方法比较分析

针对潜水器环肋圆柱壳耐压结构,分析比较了CCS、RUS、ABS、GL各船级社潜水器规范中安全系数、强度计算方法、稳定性计算方法和允许工作压力控制要求,结合3个算例,总结了各规范的设计计算特点,分析结果可为修改完善我国潜水器设计规范提供参考.     

环肋圆柱壳应力计算的新方法探索

基于对目前环肋圆柱壳应力计算方法缺陷的认识,文中引入了加强棱柱壳体法,推导出环肋圆柱壳静力微分方程,通过将位移以傅立叶级数的形式展开,求出了环肋圆柱壳的位移解,进而得到环肋圆柱壳的应力解。通过算例计算表明,除环肋圆柱壳内表面纵向应力和肋骨周向应力外,用该方法的计算结果与传统方法的计算结果和有限元法结果都相接近,并且纵向应力与周向应力由外到里的变化规律与传统方法也相同。     

具有特殊肋骨型式的耐压壳体强度与极限承载能力分析

基于ANSYS有限元分析软件对具有装配型和宽扁型2种特殊肋骨型式的耐压壳体进行强度与极限承载能力分析.针对装配型肋骨的耐压壳体,对比其与传统加筋圆柱壳的强度特性,分析其在不同载荷下的应力分布,以及肋骨与壳体之间的装配间隙对极限承载能力的影响;针对宽扁型肋骨的耐压壳体,分别采用体单元和壳、梁单元进行有限元模拟,分析2种建模方式下结构强度及极限承载能力计算结果的差异性.计算结果表明：具有装配型肋骨的耐压壳体,外载荷与结构应力之间存在非线性关系,装配间隙越小,极限承载能力越强;具有宽扁型肋骨的耐压壳体,2种建模方式对其强度结果有一定的影响,而对极限承载能力的结果影响不大.     

扁平及圆柱形耐压舱段结构的边界效应研究

本文主要研究椭圆形、圆形横截面的扁平壳及圆柱壳耐压舱段结构的边界效应,在工程实际范围内选取椭圆柱壳的长、短轴比例参数,基于理论分析和有限元参数化计算得到无量纲的应力系数等结果,分析了端部固支边界导致的长、短轴端部弯曲应力、中面应力波动的纵向影响范围和周向特征,以及扁平舱段中部典型跨的稳定应力随舱段长度的变化情况,并与环肋圆柱壳舱段结构的边界效应进行了规律对比,同时还分析了相邻椭圆形环肋骨对扁平耐压舱段端部壳板的加强效果.     

变截面圆柱形空腔覆盖层吸声系数的二维近似解

具有空腔周期性排列的粘弹性结构在水声工程中有着广泛的应用.将包含变截面圆柱形空腔周期性排列的吸声覆盖层的一个单元进行分段近似成多层圆柱管结构,并应用子域分割法在分段的接合界面处满足平均轴向位移和平均轴向应力连续,给出了变截面圆柱形空腔吸声覆盖层吸声系数的二维近似解.分析了高阶传播波和分段层数对吸声系数的影响,比较了不同空腔形状对覆盖层吸声性能的影响.研究结果表明,在一定频率范围内,主要是最低阶传播模式对吸声性能起作用,喇叭型空腔结构较圆柱型空腔结构吸声覆盖层的吸声性能更加优良.在覆盖层设计中,空腔的形状应有一个优化的过程.     

特征载荷下海工管状结构屈曲临界载荷分析

圆柱形管状结构在海洋工程领域中应用较多，在进行结构设计时，需重点关注其侧向受载时的屈曲强度问题。通过理论分析和数值模拟，对比研究径向线性载荷变化下圆柱壳的屈曲行为，以经典的Donnell壳体理论为基础，得到圆柱壳的屈曲控制方程，并通过本征值分析方法得到结构屈曲的临界条件。采用有限元软件ABAQUS对线性变化径压下圆柱壳的屈曲进行数值仿真。分析得出径厚比是径向线性分布载荷下圆柱壳屈曲临界载荷的主要影响因素，三角形径压下屈曲临界载荷值约为均布径压下屈曲临界载荷值的2倍。     

纵骨对环肋圆柱壳肋间壳板稳定性的影响

肋间壳板失稳是潜艇耐压壳体失稳的重要形式之一,加设纵骨是提高环肋圆柱壳肋间壳板稳定性的有效方法.通过理论计算,得出以下结论:加设纵骨可以提高环肋圆柱壳肋间壳板稳定性,且α值越大,效果越明显;加设纵骨后的环肋圆柱壳在肋间壳板失稳时,纵向失稳半波数等于l,周向失稳波数大于10,且纵骨尺寸越大,周向失稳波数越大;失稳临界压力随肋距的减小而增大,随纵骨尺寸的增加而增大.     

基于遗传算法和可变多面体算法的耐压结构混合优化

水下结构设计的主要任务是如何进行结构优化,在保证水下结构安全可靠性的前提下减轻结构的自重.本文根据水下结构强度和稳定性要求,以遗传算法(GA)和可变多面体算法(SM)作为子算法构造了水下结构优化设计的混合优化策略,并应用于圆柱形耐压结构的优化设计,计算结果对于水下结构设计计算具有指导作用.