深海载人潜水器耐压球壳极限强度研究

对现有的潜水器耐压壳的研究主要都围绕薄壳结构,而深海载人潜水器耐压球壳,已属于厚壳的范围.国际上还没有均匀外压下厚球壳的解析解,只有美国海军泰勒水池耐压球壳设计公式及俄罗斯相应的公式可以参考.因此本文基于有限元的分析方法,对大深度载人潜水器耐压球壳极限强度进行了研究.通过对有限元参数的比较,提出了一个合理的有限元分析模型,计算结果与实验数据相符,而泰勒水池公式及俄罗斯公式的误差较大.然后计算了一系列半径厚度比下的耐压球壳的极限强度,并研究了初挠度的影响.本文认为对于深海载人潜水器耐压球壳可以直接根据有限元计算确定其极限强度,泰勒水池公式和俄罗斯公式偏于保守;耐压球壳经过精加工,初挠度对于其极限强度的影响不大.为了实用起见,本文还给出了完善耐压球壳极限强度与经典值的比值曲线,以及初挠度效应曲线.     

钛合金深海耐压舱结构设计

根据最小重量原则及耐压舱的使用要求,结合规范和有限元方法设计工作潜深为2 000 m的钛合金圆柱耐压舱,并对带有多个开孔的端部平盖封头进行结构设计与校核。针对圆柱舱建立参数化结构有限元模型,并在Isight集成优化环境下进行结构优化并获得最优解。对耐压舱进行打压试验,验证了设计方法的有效性,深海压力舱满足力学性能和重量要求。     

基于近似模型技术的复合材料耐压壳性能研究

基于纤维增强复合材料具有高比模量,高比强度的特点,提出内部环肋金属内衬外部缠绕复合材料的潜水器耐压壳结构形式,结合有限元方法和近似模型技术对该种结构形式的耐压壳进行研究。得到复合材料加强纤维的含量与耐压壳结构性能参数的关系以及不同铺层角对耐压壳临界失稳压力的影响,为该种形式复合材料耐压壳的设计提供设计依据。     

潜艇耐压液舱结构破坏原因及加强形式探讨

耐压液舱区域的耐压壳体在外载荷作用下发生破坏,其破坏原因与相邻耐压壳体的受力相关,相邻耐压壳体的变形对其影响往往很大。在吸收现有潜艇耐压液舱结构理论计算方法、有限元分析和试验研究的基础上,对其结构破坏原因及加强形式进行了探讨。     

全海深载人潜水器超高强度钢制载人球壳的极限强度分析与模型试验

载人耐压舱是保证载人潜水器安全性的最核心部件,文章主要针对上海海洋大学正在研制的万米载人潜水器开展载人球壳的极限强度理论分析和模型试验研究。该载人耐压球壳采用超高强度马氏体镍钢。有限元分析包括静应力分析和屈曲分析,获得了耐压球壳的极限强度和失效模式;在此基础上,设计了模型球进行了极限破坏试验。通过有限元分析结果和试验结果对比,获得了球壳极限破坏压力失效模式和加载过程中球壳表面应变的变化历程。试验结果和有限元结果基本一致,验证了设计方法对马氏体镍钢球壳的适用性。该研究为后续全海深耐压球壳的设计提供了可靠的试验和理论基础。     

深潜器多球交接耐压壳结构性能研究

多球交接耐压壳综合了单球壳和加筋圆柱壳2种耐压壳的优点,是一种更加安全和经济的深潜器耐压壳结构形式.本文以极限强度和浮力系数为主要指标,研究了多球交接耐压壳各几何参数对结构性能的影响,并考虑了环向加强肋设于耐压壳外部的情况.在本文中,耐压壳的极限强度利用ANSYS软件通过非线性有限元方法计算得到;同时,还利用多学科设计优化软件iSIGHT,对多球交接耐压壳的4个几何参数进行试验设计,并以其对耐压壳的极限强度和浮力系数的主效应和贡献率为标准,评价了它们对于整体结构性能的影响.     

基于iSIGHT的耐压壳静动力学综合优化设计

根据圆柱形耐压壳设计中对强度和稳定性，振动和声辐射的要求，建立了数学模型。以重量最轻，临界频率最大综合优化了耐压壳的静动力学性能。同时，运用APDL语言进行了耐压壳参数化有限元建模。分别在iSIGHT设计环境下集成了自编程序和参数化有限元模型，两种方法给出了吻合的最优结果。     

基于MATLAB的潜艇耐压液舱结构优化设计

本文以MATLAB为平台,进行了同心圆和准同心圆式潜艇耐压液舱结构的优化设计。计算结果与有限元计算结果相比偏于安全,两种结构形式的优化结果比较接近,考虑到工程实际,准同心圆式潜艇耐压液舱结构值得推荐。     

大深度潜水器开孔耐压壳的极限强度研究

钛合金制深海载人潜水器耐压壳上面设有人孔、观察窗等多个开孔,而这些开孔又会削弱耐压壳的极限强度,又因为耐压壳工作的环境是几千米的深海中,所以了解其主要承压结构耐压壳的极限强度有重要的意义,也是设计者所必须关注的问题。本文利用ABAQUS有限元软件对开孔耐压球壳的极限强度进行了非线性有限元分析,计算了开孔的大小及加强围壁参数的变化对壳体极限强度的影响。计算结果表明,随着孔径的增大和围壁厚度的减小其极限强度成下降趋势。     

潜器耐压液舱结构有限元分析

应用有限元方法对纵骨式耐压液舱结构进行系列计算,通过多参数多工况方案对比分析,详细讨论了耐压壳板半径、液舱壳板半径、耐压船体壳板板厚、液舱壳板板厚、相邻实肋板间距、相邻纵骨间距等参数对液舱壳板和耐压船体壳板结构强度和稳定性的影响,研究结果可供潜器耐压液舱结构设计参考,并为进一步完善耐压液舱结构的理论计算方法提供依据。     

潜艇外部耐压液舱结构优化设计

提出了一种优良实用的准同心圆式潜艇外部耐压舱结构型式,并给出了这种结构基于近似解析法和基于有限元应力分析的结构优化设计方法。曲型实例表明,准确同心圆式结构优化设计方案优于传统结构设计方案。     

藕节形耐压壳体强度与稳定性分析及优化设计

结合有限元理论,利用基于试验点的设计方法对藕节形耐压壳体进行优化设计。基于试验点的优化设计的相关理论,利用正交试验设计确定25组试验点。利用参数化建模的方法建立25组试验点对应的藕节形耐压壳体的三维模型。基于有限元理论,利用Workbench对其强度及稳定性进行分析,得到各试验点参数对应的最大应力、临界失稳载荷及壳体质量。根据有限元分析结果,构造最大应力、临界失稳载荷及壳体质量关于球心间距半径比、厚度及切弧角的响应面;利用遗传算法,结合构造的响应面,对藕节形壳体进行优化设计并利用Workbench对其进行校核,验证所设计壳体的安全性。     

新型水下RTP管楔块夹紧式接头设计与分析研究

针对适用于水下的6英寸非金属粘结性RTP管,设计了新型的楔块夹紧式接头。使用SolidWorks软件进行了结构设计,并基于有限元理论建立了有限元分析模型,采用ABAQUS有限元分析软件对楔块夹紧式接头系统在极限工作内压和轴向拉伸条件下进行静态分析。得到了该新型楔块夹紧式接头系统在极限工作内压条件下的Von Mises应力、接触应力和剪切应力,并按照DNV设计规范对接头所受应力进行校核,验证了新型楔块夹紧式接头系统的设计可行性与结构可靠性,同时探究了该楔块夹紧式接头在设计制造以及安装时遇到的一些问题,给出了相关的设计、加工、安装和使用方面的建议,为国内水下油气管线的发展和使用提供帮助。     

水下结构数值计算中面体单元连接技术及力学试验研究

结合有限元分析软件ANSYS对大潜深、大开口观察窗壳体结构模型的静态力学性能进行了数值分析及试验研究。计算模型考虑了材料非线性、几何非线性的影响。球壳采用面单元建模,观察窗窗座采用体单元建模,减少了计算规模,节省了计算时间。针对这2种不同自由度单元的连接,采用了不同的面体单元耦合技术,讨论了它们对静态力学性能结果的影响,在此基础上进行了试验研究。试验表明,本文所建立的有限元模型和计算策略准确可靠,可供设计时使用。同时也表明了在数值计算中采用MPC接触方法的面体单元耦合技术精度更高。     

20英尺氢氟酸罐式集装箱结构优化设计

为了用最少的安全控制程序从事集装箱国际运输,并避免各国各自执行国家安全规则可能产生的矛盾,国际海事组织颁布了集装箱安全公约,强度计算是罐式集装箱样箱生产的第一步,有限元分析时一般选取了板壳元和梁元,4个箱角刚性固定,将各个运动方向上的惯性力转化为动压力叠加到设计压力上,分别进行计算,从分析结果可以明显判断出设计的优劣,此方法为中国船级社所采用,实践证明简便可靠。     

Development of a finite element modeling system for ship structures

In ship structural design, many structural analyses by the finite element method are carried out on models at several different scale levels; for example, a whole ship, cargo hold parts, and detailed structures. However, one serious problem with this design and analysis process is that the generation of the finite element models for a complex configuration is very difficult and laborious. To overcome this problem, an object oriented, finite element modeling system, MODIFY, has been developed by the authors. In this paper, the concept of the finite element modeling system and the techniques for the construction of the system are explained. First, the object oriented data structure of the system, based on the Part-Object concept, is proposed. In this concept, not only the geometry of the domain but also the analytical conditions, such as boundary conditions and material properties, and the finite element model, are represented by the object oriented data structure. By using this data structure, effective finite element model generation can be expected. Second, a mesh generation algorithm based on the frontal method is described. The original frontal method by S.H. Lo was improved for application to three-dimensional curved surfaces. A new inner node placement technique to make quadrilateral elements around stress concentrated areas is also proposed. These techniques are suitable for ship structures, and more accurate results from the finite element analysis can be expected. Moreover, the parallel mesh generation is implemented in MODIFY by using the client-server concept to accelerate mesh generation. Third, a prototype system for the automatic finite element model generation for different analysis levels is proposed. The system is based on the concept of the PD part, which is the part in the design and production stage, and automatic computing of the intersection between PD parts. The validity of this system is demonstrated by some examples.     

Development of a rigid-ended beam element for analysis of bracketed frame structures

At the initial design stage, for rapid evaluation of strength of ship structures, finite element analysis using beam elements is carried out as a rule. In beam modeling of ship structures, brackets are usually represented by rigid elements to simplify the analysis. The extent of rigid ends, which is called the span point, can be determined from the three kinds of view points, i.e., bending, shearing and axial deformation.

In this paper, a novel beam element is developed. The developed novel beam element, referred to as the rigid-ended beam element, can consider the effect of three kinds of span point within one element, which was impossible in modeling with the ordinary beam element. Calculated results agree with the exact solution for a cantilever beam and also with results obtained from finite element analysis using membrane elements. Structural analysis using the rigid-ended beam element is revealed to have good computing efficiency due to the elements not needing to correspond to the brackets.     

船体强度三维有限元分析的载荷直接计算和验证

采用载荷直接计算法对鞭船船体强度进行三维有限元分析，并用该船的实航测试数据和“船体梁理论”进行了验证和讨论。     

有限元方法在30万吨级超大型浮船坞设计中的应用

在30万吨级超大型浮船坞的结构设计中应用有限元计算方法来评估坞体结构强度并讨论了超大型浮船坞的结构规范适用性问题。采用的有限元计算分为两大类:一类是坞体总纵强度的有限元计算分析,包括全坞粗网格有限元计算以及进一步的局部结构细化分析;另一类是坞体局部强度的有限元计算分析,包括首尾浮箱平台强度、坞墙稳定性和锚泊设备支撑结构的强度计算。通过一系列完整的有限元计算,说明现行的浮船坞规范仍然适用于超大型浮船坞,并最终得出了一些具有实用价值的结论。     

材料力学特性对球型耐压结构极限强度的影响

为了揭示材料主要力学性能对深海耐压结构极限承载能力的影响规律,本文以完整球壳为研究对象,采用非线性有限元方法,开展了材料力学特性变化对极限强度的影响研究。通过大量数值计算与归纳分析,得到了材料屈服强度和杨氏模量随厚径比变化对球壳极限强度的影响规律,研究发现随着厚径比的增加,材料刚度特性对结构极限强度的影响权重逐渐减少,屈服强度影响权重逐渐增加,在此研究基础上本文提出了一种考虑屈服强度变化的球壳极限强度计算新方法,为潜水器耐压结构选材与设计提供参考。