轴压复合材料柱形壳屈曲特性

以单立柱固定式海洋平台的柱形壳桩腿为研究对象,得到复合材料柱形壳较为合理的结构尺寸、铺层方式,提高其轴向承载能力.首先,通过碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced plastics,CFRP)材料单轴拉伸试验得到复合材料柱形壳试验样本的材料属性,用于柱形壳的计算与分析.其次,基于复合材料薄壳理论,得到轴压复合材料柱形壳屈曲临界载荷解析解,对比线弹性屈曲有限元分析,验证了理想柱形壳有限元模型建立的正确性.再次,由复合材料柱形壳缺陷测量试验得到其初始几何缺陷,由轴向压缩试验得到其轴压屈曲特性,对比非线性屈曲有限元分析,验证了缺陷柱形壳有限元模型建立的正确性.最后,结合线弹性屈曲分析结果,引入模态缺陷,从线弹性和非线性屈曲分析两个方面,研究铺层角、铺层数、各层纤维厚度、几何尺寸对复合材料柱形壳轴向承载能力的综合影响规律,得到各模型的屈曲特性与缺陷敏感性.从生产制造与工程实际出发,建立一种系统的CFRP型复合材料柱形壳设计计算流程、失稳分析方法,对于复合材料柱形壳的设计、校核、优化具有指导性作用.     

轴压柱形壳非线性屈曲试验与理论研究

本文研究了轴压不锈钢柱形壳的非线性屈曲行为.通过轴向压缩试验,获得柱壳的载荷位移曲线、失稳载荷、最终失稳模式;在此基础上,采用弧长法对试验壳体进行非线性屈曲计算,分析平衡曲线、临界载荷、临界屈曲和后屈曲模式等非线性屈曲行为,并与试验结果作对比研究.结果表明:在柱形壳受轴压而发生弹塑性屈曲时,端部长度缺陷会在轴压初期降低柱形壳的承载力从而影响临界屈曲载荷,且高度越小时,柱形壳越容易在两端发生形变.但是总体来看,发生塑性屈曲时,端部长度缺陷对临界载荷影响很小.     

一阶模态缺陷条件下蛋形耐压壳屈曲特性研究

为研究蛋形耐压壳在不同数值模型下的屈曲特性,首先,建立理想蛋形耐压壳数值模型,研究单元尺寸对其强度与屈曲的影响;在此基础上,引入非线性与一阶模态缺陷,分别研究蛋形耐压壳在这两种情况下的屈曲特性影响规律.结果表明:单元尺寸对蛋形耐压壳的强度影响小,屈曲影响大;非线性与模态缺陷对耐压壳的稳定性影响大,二者对临界屈曲载荷下降的贡献度分别达到56.27%、13.47%,故进行蛋形耐压壳数值分析时应将其列入考虑范围,保证耐压壳安全稳定性.     

蛋形耐压壳力学特性研究

深入研究了复合材料蛋形耐压壳的力学特性.首先建立蛋形耐压壳母线方程及解析法力学模型;在此基础上,推出极限强度载荷、屈曲临界载荷与厚度的定量关系式,以及厚度和浮力系数的求解方程,并研究了同比条件下球形耐压壳的力学特性.结果表明,蛋形耐压壳综合性能优于球形耐压壳,可最优协调强度稳定性、浮力系数、空间利用率、人机环特性以及水动力学特性,且对缺陷敏感性低,便于开孔、开窗,在深海潜水器上具有良好的应用前景.     

深水导管架桩腿制造误差与抗屈曲特性研究

文章通过典型算例详细阐述了具有制造误差的深水导管架桩腿屈曲分析方法,将线性扰动加载的特征值届曲预测算法和描述几何非线性屈曲过程的改进的Riks算法应用于导管架桩腿的详细设计校核,对比研究了模态扰动模拟制造误差和直接模拟制造误差模型的分析结果,并对典型桩腿结构在静水外压下的弹塑性屈曲响应特性进行了研究.分析结果表明,随着制造误差的增加,导管架桩腿抗静外压的临界屈曲载荷在下降,而且制造误差大的桩腿的极限承载能力较低.     

均布外压作用下蛋形仿生封头屈曲特性

本文深入研究了304不锈钢制蛋形封头在均布外压作用下的屈曲特性。设计了一种蛋形仿生封头,采用冲压成型技术,制作了5个底部直径160 mm、高121 mm的试验模型;在此基础上,对各模型进行轮廓扫描、超声测厚以及静水压力测试,研究其屈曲载荷和失稳模式;根据扫描和测厚结果,对试验封头进行非线性屈曲数值分析,与试验结果吻合良好。此外,对比分析了蛋形封头和球形封头屈曲特性,表明蛋形封头具有良好的抗压能力,对材料塑性和形状缺陷的敏感性低。     

仿生蛋形封头屈曲对比分析

封头作为耐压壳的重要组成部分,常用于密闭柱形、锥形结构的端部,它的质量直接关系到潜水器的安全性和结构完整性。对深海蝶形密封保护罩设计进行研究,对比分析了蛋形封头、蝶形封头以及球形封头在相同工况条件下,其强度和稳定性特性;从而得出仿生蛋形封头在实际工程应用中的实用性。结果表明,蛋形封头综合性能最优,是千米水深耐压封头设计的有效选择。     

多蛋形交接耐压壳屈曲特性试验与数值研究

文章研究了多蛋形交接耐压壳屈曲行为。基于壳体开孔处的变形量与完整壳体一致的设计理念,优选多蛋壳结构参数,制作多蛋壳比例模型,并对其制作误差进行了检测。此外,还进行了静水压力试验,验证真实多蛋壳破坏形式,检验环肋参数的合理性,比较了考虑真实形状和厚度的非线性有限元分析结果。结果表明:基于变形协调理念设计的多蛋壳,最终破坏远离环肋交接处,蛋形壳单元破坏形式及载荷与完整单蛋壳基本相同,试验验证了多蛋壳继承了完整蛋形壳较好的耐压特性;基于弧长法的数值计算与试验结果具有良好一致性,考虑真实形状和厚度的非线性有限元分析可用于分析预测真实壳体的屈曲特性。     

蛋形混凝土耐压壳的设计与力学特性研究

耐压壳体的设计,在深海潜水器等水下作业设备研制开发中占有重要位置。本文结合蛋形结构和混凝土的耐压特性,完成2 000 m水深耐压壳的结构设计,分析其在理想状态、考虑几何缺陷情况下的力学特性,以及混凝土材料的蠕变对其力学特性的影响。结果表明,蛋形混凝土耐压壳中间段承受的应力大于两端,失稳最先发生于耐压壳中部,发生蠕变后耐压壳屈曲极限载荷与理想状态相比下降了6.88%。     

复合材料船体纵向极限承载能力分析

该文利用梁柱理论推导出复合材料梁柱的极限承载能力公式,讨论了加筋板的初始几何缺陷,载荷偏心,蒙皮屈曲后的有效蒙皮宽度对复合材料长帽形加筋板的极限承载能力的影响。利用复合材料梁柱理论计算船体甲板或船底板结构视加筋板单元构件的极限承载能力,最后由Smith法来计算复合材料船体的极限承载能力。     

静水压力下具有轴对称初始缺陷圆柱壳承载能力研究

文章针对含有轴对称初始缺陷和局部轴对称凹陷的圆柱壳在静水压力下的稳定承载能力问题进行了研究。通过一种数值计算方法,给出了初始缺陷幅值、壳体半径与厚度比、壳体长度、局部凹陷长度及位置对静水压力下圆柱壳屈曲临界压力的影响。并针对不同缺陷幅值对圆柱壳的刚度进行折减,给出了初始缺陷幅值与刚度折减系数的关系。研究结果表明,对于轴对称初始缺陷对圆柱壳稳定承载能力的影响,本质上是降低圆柱壳轴向弯曲刚度和轴向的薄膜刚度从而造成圆柱壳稳定承载能力的下降,因此针对轴对称初始缺陷可以增加纵筋提高其弯曲刚度,增加稳定承载能力。     

静水压力下圆柱壳结构屈曲机理分析

针对静水压力下圆柱壳结构的屈曲机理问题,将圆柱壳的结构刚度分为薄膜刚度和弯曲刚度,分析了具有完整刚度下圆柱壳的失稳压力,并与已有的理论进行了比较,验证了方法的可靠性。通过消除圆柱壳结构各部分薄膜刚度获得了消除刚度后的临界屈曲载荷,分析了各部分薄膜刚度对静水压力下圆柱壳承载能力的影响,结果表明,静水压力下圆柱壳屈曲的原因是结构周向薄膜刚度的减少。     

锥-环-柱结合壳的应力和稳定性

本文用解析法计算了受中面均布法向载荷作用的锥-环-柱结合壳中的应力值，并根据Trefftz准则计算了其失稳临界压力。计算结果说明，在总体几何尺寸与壳厚相同的情况下，锥-环-柱结合壳与锥-柱结合亮相比，过渡区的局部应力值显著减小，失稳临界压力提高。     

肋距对环肋圆柱壳壳板稳定性的影响

为研究环肋圆柱壳壳板稳定性的有关性质,对其失稳临界压力进行曲线绘制。在潜艇耐压船体相关参数范围内,环肋圆柱壳壳板失稳时,纵向失稳半波数m=1,周向失稳整波数n〉10。壳板失稳临界压力随肋距的缩小而增大,当仅受轴向外压力时,壳板失稳临界压力不随肋距的变化而改变。根据潜艇耐压船体相关参数范围,计算环肋圆柱壳总体失稳临界压力和壳板失稳临界压力的取值范围。在设计中,应使总体失稳临界压力等于或略大于壳板失稳临界压力。     

带止屈器的复合材料圆柱壳结构屈曲分析及优化

针对海洋工程上的复合材料圆柱壳结构,基于有限元软件ABAQUS,利用Python语言编程实现参数化建模、屈曲分析以及在后处理中提取屈曲因子。研究复合材料圆柱壳结构在单独受到轴向压力、侧向压力以及两种压力组合作用下止屈器的位置对屈曲极限强度的影响,并利用遗传算法多参数优化的方法对止屈器的位置进行优化,最终找到最优解。研究结果可以为复合材料圆柱壳结构抵抗屈曲失效的优化设计提供参考。     

承受静水外压作用的圆柱形壳体结构优化设计

加强圆柱壳是最重要的深海耐压结构形式之一,是深海装备和人员安全的基础保障以及设备发挥正常功效的载体.水下的工作深度越深,耐压结构承受的海水外压力越大,对耐压结构的强度与稳定性的要求就越高,迫切需要开展结构优化设计,减轻结构自重,提高有效负载.文中分别采用快速下降算法和遗传算法,在保证耐压结构强度和稳定性以及满足基本加工工艺要求的条件下,进行耐压柱壳结构优化设计,所得计算结果对于耐压结构设计具有指导作用.     

Influence of residual stresses and geometric imperfections on the elastoplastic collapse of cylindrical tubes under external pressure

The buckling problem of a circular cylindrical shell has long been widely investigated due to its great importance in the design of aerospace and marine structures. Geometric imperfections and residual stresses are inevitable in practice and have been so far frequently considered in analytical and numerical predictions. But little attention has been paid until now on the combined influence of such initial defects on the critical and often unstable response of such elastoplastic structures. In this paper, a shell finite element is designed within the total Lagrangian formulation framework to deal with the elastoplastic buckling and post-buckling of thin cylindrical tubes under external pressure and axial compression. A specific experimental process will be introduced in order to measure residual stresses in the shell very accurately, so as to include them in the numerical calculations. The present formulation will enable us to describe the complete non-linear solutions, namely the critical pressures (bifurcation and limit (collapse) loads), the bifurcation modes and the bifurcated equilibrium branches up to advanced post-critical states. Comparisons will be made between numerical results and the experimental critical value and deformation patterns of a new generation profiler. Furthermore, the combined effects of geometric imperfections, residual stresses and plasticity will be analyzed.     

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。     

自升式钻井平台桩靴结构分析

以某自升式钻井平台的桩靴为研究对象,建立了结构分析模型,给出了结构分析的载荷及边界条件,并对各工况下的计算结果进行分析和评估,为此类结构的设计提供参考方法。