船舶复合材料上层建筑概念设计及力学行为研究

针对船舶轻量化的发展需求,以轻质复合材料夹芯结构为上层建筑的基础板材,以船用复合材料T形连接和Y形连接作为设计节点,将局部设计节点与基础板架有机组合实现集成式船舶复合材料上层建筑的概念设计。分析船舶上层建筑的多种受载形式,研究其在波浪环境中联合载荷作用下的力学行为表征和宏观响应特性,预报复合材料上层建筑与主船体之间的相互作用及其对船舶总纵弯曲的贡献效率,为船舶复合材料上层建筑的优化设计、可靠性和安全性分析提供有益参考。     

船舶复合材料上层建筑概念设计及力学行为研究

针对船舶轻量化的发展需求,以轻质复合材料夹芯结构作为上层建筑的基础板材,以船用复合材料T形连接和y形连接作为设计节点,通过局部设计节点与基础板架的有机组合完成集成式船舶复合材料上层建筑的概念设计.分析船舶上层建筑的多种受载形式,研究其在波浪环境中联合载荷作用下的力学行为表征和宏观响应特性,预报复合材料上层建筑与主船体之间的相互作用及其对船舶总纵弯曲的贡献效率,为船舶复合材料上层建筑的优化设计、可靠性和安全性分析提供有益参考.     

复合材料地效翼船结构设计计算方法研究

[目的]在复合材料地效翼船的结构设计中,目前尚无相应的对其结构进行强度和稳定性评估的规范方法。选取复合材料地效翼船设计中夹芯复合材料主浮舟及机翼这2个关键部件的结构强度及稳定性计算方法开展研究。[方法]重点探讨主浮舟及机翼结构的设计载荷计算方法,以及对应夹芯板的强度衡准、整体及局部稳定性计算方法与衡准。利用建立的计算方法对复合材料地效翼船主浮舟的总纵弯曲强度、机翼结构强度以及稳定性进行算例分析。[结果]结果表明,建立的计算方法可以用于复合材料地效翼船主浮舟和机翼结构的强度及稳定性计算,算例中的复合材料地效翼船设计方案满足结构强度和稳定性要求,经受住了实船试验的考核验证。[结论]所得方法可供复合材料地效翼船结构设计计算参考。     

双体船型清污船结构强度评估

基于中国船级社《小水线面双体船指南》(2005),考虑双体船的静水载荷、重力载荷和环境载荷等,确定设计载荷和设计工况,采用有限元分析的直接计算法,对双体船的主船体及连接桥结构进行强度评估。结果表明:该双体船结构满足强度校核要求,高应力发生在货舱端部的连接桥附近和艏部导流板处。     

船用夹芯复合材料典型节点疲劳性能试验研究

针对船用L型复合材料典型节点的损伤失效问题,进行了极限强度和疲劳性能的试验研究。分析不同载荷下夹芯板连接节点的疲劳寿命及破坏模式,揭示接头处裂缝的产生和发展的过程。试验结果表明:夹芯复合材料节点疲劳寿命和刚度随着载荷水平的增加呈下降趋势,疲劳断口处呈现蒙皮与泡沫夹芯脱粘以及蒙皮分层和纤维断裂的现象,且节点疲劳寿命具有较大的离散性。     

船舶轻量化T型连接结构设计及强度试验

文章从船舶轻量化的角度出发,提出了一种由复合材料夹芯板和增强泡沫胶接而成的新型T型连接结构,解决了船舶复合材料上层建筑内部壁板之间的连接问题。基于复合材料结构的设计原理和力学特性,设计了T型连接结构的拉伸试验和压缩试验,研究其在不同载况下的极限承载和损伤模式,证明T型连接损伤模式复杂,抗拉能力弱,尤其面板与腹板连接区的胶层是承载薄弱环节;依据试验结果验证数值计算方法,并规划3条技术路径以研究T型连接的抗拉特性,应用数值方法提取对应技术路径的应力和位移特征量,分析T型连接面板与腹板连接区的胶层几何参数对抗拉强度和重量的响应规律,获得连接区胶层几何夹角的建议取值为45°~60°,为复合材料船舶轻量化胶接结构的优化设计和实际应用提供了有益参考。     

复合材料上层建筑总纵弯曲特性与设计要求分析北大核心CSCD

[目的]针对复合材料上层建筑总纵强度问题,采用有限元分析法开展复合材料上层建筑总纵弯曲特性与设计要求分析。[方法]首先,分析不同长度、不同上层建筑材料等效弹性模量下简化船体模型纵向应变沿高度方向的分布规律,并利用二次函数对纵向应变分布进行非线性拟合;然后,基于拟合的结果提出复合材料上层建筑设计要求,并在结构形式与材料属性两方面对设计要求进行阐述;最后,根据弯矩有效度概念,在国军标的基础上提出不同长度、不同材料下上层建筑完全参与总纵弯曲的判定方法。[结果]分析结果表明,常见的树脂基纤维增强复合材料能够满足上层建筑结构的总纵强度要求;超过0.3倍船长的复合材料上层建筑结构应当计入剖面强度和刚度校核。[结论]所做研究可为未来我国复合材料上层建筑结构的水面舰船设计提供一定的参考价值。     

基于一阶zigzag理论的软芯复合夹层板冲击载荷下的动态响应分析（英文）

本文提出一种简化的用于求解软芯复合材料夹层板的一阶zigzag理论模型，该模型能精确求解外载荷作用下软芯复合材料夹层板的静态和动态响应。软芯复合材料夹层板的上下面板采用一阶剪切变形理论，芯材运用线性函数模拟横向和面内位移。模型充分考虑芯材厚度方向的应力和应变，能很好满足横向剪切应力和位移界面边界条件。基于此模型，运用Newmark法求解控制方程分析冲击载荷作用下简支软芯复合夹层板的动态响应，将提出的一阶zigzag理论模型与公开发表的文献结果进行了准确性对比验证。在验证的基础上进行了一系列的参数研究，并详细研究了各种参数对夹层板动态响应的影响。计算结果能为船用软芯复合材料夹层板提供理论设计指导。     

某400ft自升式钻井平台主船体结构强度分析

考虑到某400 ft自升式钻井平台在水深91.4 m作业工况下固有周期与波浪周期相近,动态放大因子较大,作业工况下悬臂梁-钻台系统具有最大工作载荷,针对该工况分析主船体结构强度,介绍主船体强度分析中模型建立和载荷施加的注意点与细节处理,确定主船体高应力区域,为自升式钻井平台的主船体结构设计和强度校核提供参考。     

深水Spar平台组块吊装过程动力响应研究

以1座桁架式Spar平台组块吊装过程作为研究对象,通过建立Spar平台船体、浮吊船体、组块及其之间的连接系统耦合分析模型,时域内计算了组块下放过程中各连接系统的载荷,并开展相关敏感性分析。结果显示:在该设计工况与环境条件下,吊线、导向销、支墩强度全部满足设计要求,其中导向销强度安全裕度较大,而吊机吊线轴向载荷、支墩垂向载荷均接近其自身承载能力的80%。组块下放速度对以上载荷的影响较小,波浪的谱峰周期Tp对支墩垂向载荷和导向销水平载荷影响较大,当Tp达到8 s时,支墩垂向载荷将超过许用强度要求。     

上层建筑一体化船型的船体梁总纵强度计算方法研究

目前许多船型进行上层建筑一体化结构设计,把上层建筑和主船体连成一体,舷侧线型从主船体一直延伸到上层建筑甲板。在按现有规范进行船体梁总强度校核时,会遇到如何计算包含上层建筑的船体梁剖面模数和总强度应力等问题。文章引入了上层建筑面积折减系数和上层建筑有效度系数,建立了它们之间的数值关系,给出了上层建筑一体化船型的上层建筑船体梁横剖面参数和参与总强度有效度的工程计算方法,可应用于该类船型的设计计算和船体梁总强度校核。     

大型船舶上层建筑-主船体剪切耦合方法研究

对于大型客船、豪华邮轮等船舶，上层建筑参与总纵弯曲的程度较大，主船体与上层建筑之间的作用关系非常复杂。探究大型船舶上层建筑-主船体间的各向耦合关系对于改善大型船舶的力学性能、结构安全等具有十分重要的意义。本文基于双梁理论和耦合梁理论，重点研究上层建筑-转换层-主船体之间的纵向剪切耦合关系，提出一种适用于带有大型上建船体结构的简化耦合梁方法。通过建立耦合梁结构的控制方程，获得上建与主船体间的弯矩-曲率关系、剪切耦合关系以及耦合刚度-极限剪切位移之间的关系，从而有效表征大型上建与主船体间的相互作用。经实例分析，验证了该耦合梁方法的准确性和有效性，可以为带有大型上层建筑船舶的极限强度研究、设计优化等提供有益参考。     

含新型连接型式的潜艇内部平面舱壁结构设计及模型试验验证

[目的]在潜艇内部平面舱壁设计中,目前是采取分别对舱壁板和构架进行计算的方式,缺乏评估舱壁整体结构极限承载能力的方法,且加强结构端部附近的耐压船体还有局部高应力。为此,[方法]提出一种应用于舱壁加强构架端部的新型连接结构型式,并通过模型试验验证舱壁两侧承载能力是否相同。[结果]有限元分析和试验结果表明,新型连接结构型式能有效降低局部高应力状态,无筋面破舱工况舱壁的极限承载能力比有筋面破舱工况舱壁的大。[结论]所提新型连接结构型式可应用于潜艇内部平面舱壁设计。     

长上层建筑计入船体梁总纵强度研究

目前许多船型设计长上层建筑,主船体舷侧一直延伸到上层建筑甲板。规范进行船体梁总纵强度评估时,会涉及船体横剖面剖面模数和船体梁弯曲正应力的计算方法。综合考虑上层建筑有效度和剖面折减系数,研究了长上层建筑参与总纵弯曲的船体梁理论,应用了长上层建筑和主船体弯曲正应力的计算方法,验证了该方法对具有多层长上层建筑甲板船型的适用性,可应用于对具有长上层建筑的船舶初步设计校核。     

游艇泡沫夹层结构有限元分析方法

以一艘泡沫夹层玻璃钢材质双体游艇的帽形骨材结构为研究对象,考虑有芯和无芯两种情况,分别施加相同的边界条件和载荷,强度有限元计算结果表明,有无泡沫芯材两种模型的等效应力、最大剪应力以及最大变形的结果及应力变形分布情况等几乎相同,分析夹层板结构芯材直接计算方法,认为不能用简单的一层板单元代替泡沫芯材夹层板。     

船舶骑冰事故下船体梁结构强度特征分析

[目的]针对船体梁与冰层相互作用后的结构强度变化问题,提出骑冰工况下船体梁结构强度分析方法,揭示相应的结构强度特征。[方法]首先,建立船体梁结构强度分析模型,并根据各分段属性建立对应的船体梁载荷分析模型;然后,在载荷分析模型中求解得到骑冰工况的浮力分布并代入结构强度分析模型中,以考虑骑冰带来的浮力变化;最后,施加重力及冰层支反力,进行结构强度计算,并分析抬升位置和抬升高度对船体梁浮力、剪力、弯矩以及局部应力分布的影响。[结果]结果显示,当船首抬升高度变化时,船体梁存在浮力与剪力不随抬升高度变化的点,该点分别位于船体梁后半段以及船中;当抬升位置位于球鼻艏时,该部位的舷侧外板更接近于垂直,不利于抵抗冰层支反力,导致高应力面积相对较大,更危险。[结论]采用所提方法能够计算船体梁结构在船首大幅度抬升情况下的结构响应,计算效率高,可初步判断危险骑冰工况下船体梁的结构强度。     

自升式起重平台站立状态结构强度

对1 000t自升式起重平台主船体站立状态结构强度进行有限元计算分析,得到船体各部分详细的应力分布特点。计算结果表明,对于自升式起重平台站立状态平台结构强度主要考虑工作和预压载2种工况。工作工况应力主要集中在主吊机附近,且对应力影响较大的载荷为船体自重及吊机弯矩;预压载工况4个桩井区域船体和舱壁应力均较大,以剪应力为主,应力大小与预压反力大小成线性关系。     

正交加筋复合材料夹层板弯曲问题求解

正交加筋均质芯材基于一阶剪切变形理论,并采用δ函数描述其非连续性,复合材料面板采用Kirchhoff薄板假设,以面板面内位移和结构整体横向位移为响应函数,通过能量原理推导了正交加筋芯材复合材料夹层板的静力学平衡方程。考虑四边简支边界条件,采用双傅立叶级数位移函数求解了正交各向异性复合材料面板正交加筋均质芯材夹层板受均布载荷作用的弯曲响应,通过将夹层板的位移和应力响应与有限元计算结果进行对比,验证了文中求解方法的正确性。     

基于JTP规范的巴拿马型油船舱段强度计算

大型油船的结构设计,需要将规范设计与直接计算结合起来,对主船体结构作强度校核以确定构件尺寸,对高应力区域做出必要的加强和改进措施,这就需要对船体中部结构进行三维有限元强度分析。以76000t巴拿马型油船为研究对象,依据《双壳油船结构共同规范》(JTP),采用MSC.Patran有限元软件建立该船中部三个舱段的有限元模型,计算JTP规范规定的船体舱段载荷,并选取JTP规范规定的一种计算工况B5进行结构强度评估。计算结果表明,在此工况下,船体强度满足JTP规范的要求,但一些局部结构还需要加强。     

钢铝过渡接头的应用研究

为降低船舶的质量重心、提高航速,某型船上层建筑首次采用铝合金材料。以往铝合金材质的上层建筑与钢质主船体采用铆钉连接,现已逐渐被钢铝过渡接头所替代,其优点为采用焊接工艺、水密性好、耐腐蚀,还使得建造工艺大为简化,但在实际建造中出现了钢铝过渡接头分层的质量问题,直接影响船舶质量。对此,阐述如何从钢铝过渡接头特性出发,对钢铝过渡接头分层的原因进行分析,对钢铝过渡接头之间的焊接接头连接形式以及钢铝过渡接头与钢质主船体、铝合金上层建筑的连接形式进行优化;控制钢铝过渡接头焊接时焊点的厚度,焊接时不超过钢铝复合界面,且焊接点与钢铝复合界面的距离>3mm;控制复合界面临界温度,焊接过程中界面温度应低于临界温度,并留有安全裕度。通过优化钢铝过渡接头连接结构形式及焊接工艺规则,掌握了解决钢铝过渡接头分层原因的关键技术。