静水压力下纤维缠绕复合材料壳体耐压因子的优化设计（英文）

基于遗传算法和数值分析一体式优化平台,以设计压力因子为目标函数,结构失稳和材料静强度破坏为约束条件,纤维缠绕策略和铺层方式为变量,对静水压力作用下碳/环氧、硼/环氧和玻璃/环氧等三种复合材料壳体的耐压因子进行优化设计。结果表明,复合材料耐压壳体在深海环境下能够提供充足的正浮力;对于不同的复合材料,最大设计压力受限的因素有所不同,主要受限于结构失稳或材料强度破坏;纤维缠绕策略和铺层方式对设计压力因子具有显著影响。文中最后提出变厚度设计、复合材料肋骨等增强方式,旨在解决结构失稳或材料强度破坏对最大设计压力的限制,研究成果可为复合材料耐压壳体结构设计提供参考。     

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。     

静水压下复合材料圆柱壳力学特性研究

研究了复合材料圆柱耐压壳强度和稳定性的理论计算方法,建立了静水压下单一螺旋纤维缠绕复合材料圆柱壳的数值模型,并对多种缠绕角下圆柱壳的强度特性进行了分析.讨论了不同长径比、径厚比下复合材料圆柱壳临界屈曲载荷与缠绕角的关系,给出了静水压下复合材料圆柱壳临界屈曲载荷的近似计算公式.开展了纤维缠绕复合材料圆柱壳压力筒试验,得到...     

气囊隔振器耐压强度研究

目前常用的气囊隔振器主要分为囊式和膜式结构气囊,两者从几何上皆可简化为一种轴对称旋转壳结构.本文以薄壳无距理论建立两者统一力学模型,求解出平衡状态下囊体的内力表达式;建立囊体帘线骨架层复合材料模型,利用应力转轴公式和Tsai-Hill强度理论进行失效分析,推导出气囊耐压强度表达式;为保证囊体耐压强度,优化设计帘线缠绕角,推导出最佳缠绕角表达式;试验结果表明,气囊隔振器的爆破压力与理论计算值基本吻合,验证了理论模型的有效性.研究结果可为气囊隔振器的可靠性设计提供理论指导.     

藕节形大深度潜水器耐压壳体优化设计

藕节形切弧连接耐压壳体是大深度潜水器耐压壳体的一种新型结构形式.该文考虑初始缺陷和材料、几何非线性的影响,参考潜艇规范,采用外点罚函数(OPF)法的结构优化程序,研究了三藕节切弧连接耐压壳体的优化设计.在研究中,设计变量为耐压壳体的厚度半径比、球壳间距半径比、连接角,考虑强度、稳定性以及几何约束,使浮力因子最小.同时研究了设计变量在结构优化设计中的敏感性,以及设计变量对耐压壳体的浮力因子、强度和稳定性的影响.文中的研究结果可以为藕节形大深度潜水器耐压壳体的结构设计提供参考.     

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.     

基于复合材料的水下耐压结构拓扑优化探究

探究基于复合材料的拓扑优化设计方法在水下耐压结构设计中的应用.本文方法是在等值线方法、SIMP(Solid Isotropic Material with Penalization)模型、灵敏度过滤技术的基础上,推导复合材料的等效刚度矩阵.通过经典桥形结构优化算例、静水压作用下的结构拓扑优化设计以及空心水下耐压结构优化设计,分析了在拓扑相关载荷作用下,复合材料对于水下耐压结构的最优拓扑形式的影响.发现复合材料与各向同性材料结构的优化结果比较相似,而复合材料的铺层方式及角度的变化可能对优化结果产生较大的影响,本文对空心耐压结构的优化结果与MIT团队提出的耐压壳概念相类似,说明复合材料的拓扑优化研究对于未来水下耐压结构的设计具有重要的参考价值及指导意义.     

考虑筋/板相互作用的环肋圆柱壳屈曲强度分析

环肋圆柱壳是潜艇耐压壳体的一种主要结构形式.环肋圆柱壳的失稳破坏主要表现在肋骨间的壳板失稳和总体失稳.在计算肋骨间的壳板失稳时,传统方法认为肋骨为壳板提供简支边界,忽略了在边界上肋骨和壳板的相互影响.在实际结构中,由于肋骨提供扭转刚度,壳板在与肋骨相交的边界上将存在弯矩,并非自由支持边界.因而,壳板失稳时,筋/板产生相互影响,提高了壳板的屈曲强度.本文的主要目的是,推导考虑筋/板相互影响的环肋圆柱壳壳板屈曲强度的理论计算方法,分析筋/板的相互关系.通过本文的算例表明,本文推导的计算方法以及所编制的计算程序是可靠的,可以用于工程设计.     

深海环境下带球封头钛合金耐压壳碰撞特性研究

深海装备在大潜深环境航行时存在碰撞的可能。本文基于Abaqus仿真软件模拟大深度、中低航速情况下带球封头钛合金环肋圆柱壳耐压结构与玄武岩的碰撞过程,考察结构的撞击变形、应力响应,从失稳破坏和强度破坏的角度分析耐压壳的撞击安全性。结果表明,球封头碰撞残余应力对耐压壳极限承载能力有提升作用,评估封头撞击对失稳模式和承载能力的影响时只需考虑塑性变形;考察钛合金耐压壳球封头碰撞的破坏模式时应优先考虑结构的强度破坏。     

连续玄武岩纤维增强复合材料船体水下爆炸响应的数值仿真

运用有限元程序MSC.Dytran数值计算水下爆炸载荷作用下连续玄武岩纤维复合材料船体舱段结构的响应,采用层合板模型模拟纤维复合材料,选取一般耦合算法计算流体与结构的耦合效应,并将计算结果与E玻璃纤维复合材料船体仿真结果进行比较,分析2种材料船体结构压力时历曲线、破坏起始位置及破坏形式,得出结论:玄武岩纤维复合材料和E玻璃纤维复合材料船体底板在爆炸载荷的作用下起始破坏形式不同,玄武岩纤维的压缩强度和拉伸强度之比较高,在实际设计制造中更有优势。在船舶建造中可以使用连续玄武岩纤维复合材料替代玻璃纤维复合材料。     

大深度潜水器耐压壳体弹塑性稳定性简易计算方法

通过在耐壳弹性屈密塞斯（Mises)公式中引入非弹性段的材料弹性模量,从而计及了材料弹性模量与应力之间的非线性关系,考虑了材料非弹性影响。通过对材料拉伸试验曲线进行回归分析,得到了材料切线弹性模量的近似表达式,同时采用外径取代平均直径,致使本文的方法在预测中厚壳的屈曲压力时具有较好的精度,本文给出了潜水器耐压壳体屈曲压力的简易计算方法和计算公式。经试验验证,该方法简易准确,可供初步设计时使用。     

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.     

气体运输船设计蒸气压力计算

比较了新IGC规则、旧IGC规则和USCG规则在C型独立舱设计蒸气压力计算上的差异,并以小型液化天然气运输船、液化乙烯运输船、全压式LPG船为例进行比较分析。介绍USCG的有关修改通函和ASME压力容器规范,指出以后采用C型独立舱的气体运输船从国际海域航行到美国领海,无需每个舱设置2套压力释放阀。相关结果对今后气体运输船的设计有一定的参考价值。     

深海钛合金压力容器在静水压力作用下的弹塑性分析

利用MSC.Marc Mentat 2005通用有限元软件对深海探测用压力容器受静水压力作用时的弹塑性失稳问题进行了计算与分析,弹性失稳数值计算的结果与用现有规范计算公式所得结果一致,均大于塑性失稳数值分析时的临界载荷。由此得出结论,对于厚壁且形状复杂的压力容器的失稳计算,用理论公式或仅用厚壳单元的弹性失稳分析是不够的,应该用3维立体单元的弹塑性失稳计算才能给出比较精确的强度预测。MSC.Marc Mentat2005强大的计算和仿真功能有效地模拟了深海精密探测容器受静水压力作用时的弹塑性失稳问题,为深海精密探测容器在材料、外观等方面做进一步的设计改进提供了可靠的工具。     

深潜器载人球壳规范设计公式的比较

文章首先简要地介绍了几个船级社现有的关于深潜器载人球壳的规范设计公式,这些公式背后的理论基础要么是经典的屈服破坏或屈曲破坏.然后,应用这些规范公式对国际上现有的几个载人潜水器耐压球壳的设计厚度进行了计算,在计算中统一了输入的设计参数并将这些计算结果进行了比较.比较表明,不同船级社设计公式给出的球壳厚度存在很大差别,绝大多数设计规范计算出的厚度都超过潜水器的实际壳厚.因此,作者认为非常有必要对各船级社的规范设计公式进行更新,最好能像民船共同规范一样给出统一的球壳设计公式.最后,文中对如何建立统一公式的研究过程提出了建议.     

深水钻井船高压泥浆系统的设计

以“大连开拓者”深水钻井船为例,介绍了深水钻井船高压泥浆系统的设计方法,总结了高压泥浆系统在材料选择时需注意的特殊要求,为其他类似海工产品高压泥浆钻井系统的设计提供了经验。     

Hydrothermally degraded carbon fiber / epoxy plates subjected to underwater explosive loading in a fully submerged environment

An experimental and computational investigation was conducted to evaluate the underwater blast response of fully submerged carbon fiber composite plates after prolonged exposure to saline water. The material was a biaxial carbon fiber/epoxy composite with a [±45°] fiber orientation layup. The plates were placed in a saline water bath with a temperature of 65 °C for 35 and 70 days, which simulates approximately 10 and 20 years of operating conditions in accordance to Fick's law of diffusion coupled with Arrhenius's Equation and a reference ocean temperature of 17 °C. Underwater blast experiments were performed in a 2.1 m diameter pressure vessel. The composite plates were placed in the center of the vessel while fully submerged in water, and an RP-85 explosive was detonated at a standoff distance of 102 mm from the center of the plate. Two cases of fluid hydrostatic gage pressures were investigated: 0 MPa, and 3.45 MPa. Two high speed cameras were utilized for three-dimensional Digital Image Correlation, which provided full-field displacements and velocities of the composite plates during underwater blast loading. A third high speed camera captured the behavior of the explosive gas bubble. Moreover, the pressure fields generated by the explosive detonation and resulting gas bubble were recorded with tourmaline pressure transducers. A water diffusion study was completed which showed that the diffusion of water into the composites reached a point of complete saturation after 35 days of exposure. Quasi-static material characterization tests were performed before and after prolonged exposure to saline water. The properties obtained from quasi-static testing also served as material inputs for the numerical models. The quasi-static test results showed that the tensile modulus E_1,2 does not change with exposure to saline water, whereas the in-plane shear modulus G₁₂ decreases with saline water exposure. During blast loading, for the case of 0 MPa hydrostatic gage pressure, the gas bubble interacts with the composite plate substantially. In such an event, the out of plane displacement increased for saline water exposed plates when compared to virgin structures. For the case of 3.45 MPa hydrostatic gage pressure, the gas bubble does not visibly interact with the composite plate. In this case, the out of plane displacement for specimens exposed to saline water was similar to the virgin specimen. A fully coupled Eulerian–Lagrangian fluid structure interaction simulation was performed by using the DYSMAS code. The numerical simulations showed that the displacement of fully submerged composite plates is driven by the displacement of fluid, as well as the size of the gas bubble formed by the explosive rather than the peak pressure generated by the explosive. The numerical simulations were in agreement with the experimental findings in terms of pressure history and plate deformation.