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.     

轴压复合材料蛋形壳屈曲特性

在对模态缺陷条件下轴压复合材料柱形壳进行屈曲分析的基础上,结合仿生学原理对柱形壳进行形状优化,运用等质量、等容积两种方法,设计与柱形壳开口直径相同的蛋形壳,研究其多模态屈曲特性。结果表明:相对复合材料柱形壳,蛋形壳具有更好的轴向承载能力与更低的缺陷敏感度。从工程实例出发,以单立柱固定式海洋平台的柱形壳桩腿为背景,采用分段式模块化设计的方法,在5%多模态缺陷条件下,研究一般钢结构柱形壳桩腿、碳纤维复合材料柱形壳桩腿、碳纤维复合材料多蛋交接形桩腿的轴压屈曲特性。结果表明:在相同的承载能力下,复合材料多蛋交接形桩腿具有更小的质量、更低的缺陷敏感度与更好的稳定性。     

复合材料剪切圆柱壳在轴压下的屈曲与后屈曲

给出了非对称正交铺层剪切圆柱壳广义Ｄｏｎｎｅｌｌ型大挠度方程，并运用位移摄动技术构造出该圆柱壳在轴压作用下的后屈曲渐近级数解。为保证边值问题摄动解的一致性，本文研究了边界效应对中短圆柱壳的影响，亦即运用奇异摄动技术详细分析了该圆柱壳端部边界层方程和奇异摄动解。     

双层圆柱壳在均匀轴压下的屈曲行为

对双层不锈钢圆柱壳在均匀轴压下的屈曲性能进行研究,分别设计、制作和测量了3个名义相同的双层圆柱薄壳,其长径比均为1.7。通过对试样进行轴向压缩试验获得其载荷位移曲线和极限强度,采用弧长法对试样进行非线性屈曲分析,得到平衡曲线和临界载荷并与试验结果进行对比。另外采用数值分析法研究双层圆柱壳的缺陷敏感性,进而推测出一种用于评估双层圆柱壳承载能力的理论公式。结果表明,双层圆柱壳的平均极限强度约为单层的1.85倍,双层圆柱壳是缺陷敏感结构,其缺陷敏感性与内层壳体缺陷敏感性趋于一致,且双层圆柱壳的缺陷敏感性随长径比的增加而降低,试验结果、数值计算和理论预测具有较高一致性。     

复合材料剪切圆柱壳在轴压下的屈曲与后屈曲

给出了非对称正交铺层剪切圆柱壳广义Donnell型大挠度方程,并运用位移型摄动技术构造出该圆柱壳在轴压作用下的后屈曲渐近级数解.为保证边值问题摄动解的一致性,本文研究了边界效应对中短圆柱壳的影响,亦即运用奇异摄动技术详细分析了该圆柱壳端部边界层方程和奇异摄动解.并讨论了横向剪切变形、Batdorf数、弹性模量比和初始几何缺陷对圆柱壳屈曲与后屈曲性态的影响.比较显示,横向剪切变形对圆柱壳的屈曲与后屈曲有重要影响.     

余弦载荷作用下圆锥壳的动力屈曲研究

本文采用数值方法对圆锥壳在余弦载荷作用下的动力屈曲问题进行了探讨.利用非线性几何方程建立了锥壳的基本动力屈曲方程.采用级数展开和伽辽金法等方法对方程进行了简化,使之成为常微分方程.方程的求解则采用龙格库塔法,最后给出临界冲击载荷值.     

均布外压下复合材料球壳脱层跳跃屈曲研究

本文提出了一种研究均布外压下复合材料球壳内表面薄层脱层屈曲特性的理论方法,基于弹性相似性原理建立了复合材料球壳受压内表面脱层跳跃屈曲的模型,采用非线性大挠度理论建立了脱层屈曲的控制方程,分别研究了初始状态含脱层和不含脱层的复合材料球壳的脱层屈曲特性,得到了两种情况下脱层屈曲临界载荷的表达式,讨论了脱层厚度、脱层位置、脱层大小对脱层临界屈曲载荷的影响。结果表明:对于初始状态靠近内表面存在脱层的复合材料球壳,如果脱层厚度很薄,在压力达到一定值时,内表面的脱层区域将发生跳跃屈曲,其屈曲的挠度远远大于脱层的厚度,屈曲的临界载荷随脱层大小的增大而增大,且与脱层厚度几乎成正比;对于初始状态不含脱层的受压复合材料球壳,在靠近其内表面区域存在一个位置,其对应的脱层屈曲临界载荷为最小,最有可能脱离球壳整体,发生跳跃屈曲;如果层间强度不足,该脱层还有可能进一步地扩展,从而导致薄层大面积地脱离整体,降低结构刚度。     

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。     

Riks弧长法在压杆非线性屈曲分析中的应用

为了得到单轴压缩杆件考虑几何非线性时的后屈曲特性,介绍Riks弧长法的基本原理,并以工字钢为例,说明Riks弧长法在压杆非线性屈曲分析中的应用.结果表明,考虑初始缺陷后,压杆的屈曲强度大大减小,且屈曲强度对缺陷因子极为敏感.该研究可为单轴压缩杆件的非线性屈曲分析提供参考.     

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。     

Experimental and theoretical studies on lateral buckling of submarine pipelines

Global buckling of a submarine pipeline during high pressure/high temperature (HP/HT) operation results in a loss of pipeline stability that is similar to a bar in compression; this phenomenon constitutes one of the key factors affecting pipeline integrity and design. To intuitively study the buckling response, a test system was designed that can account for thermal loading and pipe-soil interactions, and this system was used to perform a series of small-scale model tests on the lateral buckling of submarine pipelines with different initial imperfections. Based on the hat-shaped buckling profiles of the test pipelines, a new buckling mode called "hat-shaped buckling" was proposed. In an attempt to study the conditions under which the pipeline exhibits this hat-shaped buckling mode, the changing law of the buckling mode was investigated through finite element analyses of pipelines with different parameters, including the length of the pipeline and the amplitude and wavelength of the initial imperfection. Subsequently, an analytical solution for calculating the buckling amplitude of a pipeline with a hat-shaped buckling profile was proposed. The theoretical solution was compared to the experimental data, which verified the feasibility of the model in calculating pipeline buckling deformation. The experimental data, the buckling mode based on these data and the corresponding analytical model discussed herein may provide a reference for future experimental studies of pipeline buckling.     

SPSM and its application in cylindrical shells

In naval architectures, the structure of prismatic shell is used widely. But there is no suitable method to analyze this kind of structure. Stiffened prismatic shell method (SPSM) presented in this paper, is one of the harmonic semi-analytic methods. Theoretically, strong stiffened structure can be analyzed economically and accurately. SPSM is based on the analytical solution of the governing differential equations for orthotropic cylindrical shells. In these differential equations, the torsional stiffness, bending stiffness and the exact position of each stiffener are taken into account with the Heaviside singular function. An algorithm is introduced, in which the actions of stiffeners on shells are replaced by external loads at each stiffener position. Stiffened shells can be computed as non-stiffened shells. Eventually, the displacement solution of the equations is acquired by the introduction of Green function. The stresses in a corrugated transverse bulkhead without pier base of an oil tanker are computed by using SPSM.     

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。     

Fluid-structure coupled analysis of underwater cylindrical shells

Underwater cylindrical shell structures have been found a wide of application in many engineering fields, such as the element of marine, oil platforms, etc. The coupled vibration analysis is a hot issue for these underwater structures. The vibration characteristics of underwater structures are influenced not only by hydrodynamic pressure but also by hydrostatic pressure corresponding to different water depths. In this study, an acoustic finite element method was used to evaluate the underwater structures. Taken the hydrostatic pressure into account in terms of initial stress stiffness, an acoustical fluid-structure coupled analysis of underwater cylindrical shells has been made to study the effect of hydrodynamic pressures on natural frequency and sound radiation. By comparing with the frequencies obtained by the acoustic finite element method and by the added mass method based on the Bessel function, the validity of present analysis was checked. Finally, test samples of the sound radiation of stiffened cylindrical shells were acquired by a harmonic acoustic analysis. The results showed that hydrostatic pressure plays an important role in determining a large submerged body motion, and the characteristics of sound radiation change with water depth. Furthermore, the analysis methods and the results are of significant reference value for studies of other complicated submarine structures.     

正交各向异性圆柱壳的稳态动力响应分析

分析了正交各向异性圆柱壳在静水压力作用下受到径向简谐力作用时的稳态动力响应,并且讨论了结构尺寸变化以及材料特性对响应量的影响.并指出存在着共振峰值和固有频率有微小偏移的现象,文中还给出了冲击面内和面外特征量的响应.     

充液圆柱壳的动态特性研究

基于经典的Flugge弹性薄壳理论和Helmholz波动方程,研究了充液圆柱壳的频散特性以及相速度和群速度特性,利用数值方法求得了特征方程的实数、虚数和复数根,并分别揭示了它们的物理含义,分析了内流场对于壳体动态特性的影响,给出了壳体中功率流和流体载荷的变化情况,从能量角度研究了充液圆柱壳的动态特性.研究表明,传播波的数量随激励频率的增加而增加,这些传播波的起始频率都是某一支近场波的截止频率.对于某一个固定的频率,存在有限数量的传播波和无限多的近场波.当n=0时,传播波是由弯曲波和纵向拉伸波构成的,并且Kelvin-Kirchhoff剪力的功率和弯矩的功率是相等的.     

纵横加肋圆柱壳稳定特性

在一定条件下,环肋圆柱壳稳定性存在异常特性区间,即减小舱长或增大横向肋骨尺寸,环肋圆柱壳总稳定性理论临界压力不变。在这两类异常特性区间内,可以通过加设纵骨的方式来提高圆柱壳结构的总稳定理论临界压力。当相对厚度减小时,纵骨在提高总稳定临界压力方面的作用更加明显。纵横加肋圆柱壳横向刚度不足时,其稳定性也存在异常特性区间,即增大纵骨尺寸,总稳定理论临界压力保持不变。     

功能梯度材料圆柱壳的振动特性研究

研究了具有指数型体积分数的功能梯度材料圆柱壳自由振动的固有频率.根据Love薄壳理论,确定功能梯度材料圆柱壳的内力、位移、应变和曲率的关系式;利用Rayleigh-Ritz方法建立了功能梯度材料圆柱壳自由振动固有频率的特征方程,推导出一端固定一端自由、两端简支两种基本边界条件下的周有频率参数表达式.最后通过两类材料组分的算例,分析了材料组分、体积分数、边界条件以及几何尺寸等因素对功能梯度材料圆柱壳的固有频率的影响.研究表明,构成功能梯度材料的材料组分对FG圆柱壳的频率特征有着明显的影响,体积分数所产生的影响则相对有限;而不同边界条件对FG圆柱壳固有频率的影响主要表现在壳体长度与半径比较小和周向波数较小的情况下.