冰撞载荷下Ⅰ型夹层板抗冲击性能研究

夹层板结构以其优异的耐腐蚀性能、高比强度、高比刚度等优点,广泛应用于修船、造船领域。本文以船用I型金属夹层板为研究对象,采用理论与数值方法研究冰撞载荷作用下夹层板的抗冲击性能。提出了适用于I型金属夹层板和冰碰撞问题的冰体材料模型,并对该材料模型进行验证,得出本文的仿真结果与ISO理论曲线及试验数据结果吻合较好,证明该冰体材料模型可以应用于夹层板和冰碰撞问题的数值仿真中。同时,将其应用于冰体和夹层板的碰撞仿真中,对比了传统板架结构与金属夹层板在冰载荷作用下的碰撞力和能量吸收,研究不同的夹层板撞击位置以及冰体形状对夹层板结构的抗冲击性能的影响,为新型夹层板结构的应用提供参考。     

破片撞击下复合夹层板梯度泡沫铝夹芯吸能性能研究

为了掌握复合夹层板的梯度泡沫铝夹芯在受到高速弹片冲击时,梯度大小、方向对梯度泡沫铝芯层变形模式、吸能性能的影响,本文采用Abaqus建立梯度参数γ分别为-2.1,-1.5,0,1.5,2.1的二维Voronoi梯度泡沫铝有限元模型,梯度参数的设置考虑了梯度大小、方向的影响,冲击过程采用指数衰减速度冲击方法,研究冲击过程中不同模型的变形特征、动能以及内能的变化。研究结果表明,梯度泡沫铝靠近冲击端的上半部分贡献了应变的60%以上,该区域局部密度越大,梯度泡沫铝的能量吸收能力就越强。由于负梯度泡沫铝靠近冲击端区域密度最大,因而其吸收的内能高于均匀随机泡沫铝和正梯度泡沫铝,并且梯度大小|γ|越大,负梯度泡沫铝的吸能优势越明显。因此,将负梯度泡沫铝填充到船体夹层板中,可以提高船体夹层板的抗冲击性能。     

空爆载荷下功能梯度泡沫铝夹层板动响应数值仿真

[目的]为了提高轻质泡沫铝夹层板的抗爆性能,[方法]通过采用有限元软件AUTODYN,对功能梯度泡沫铝夹层板在空爆载荷作用下的动态响应开展研究。在功能梯度泡沫铝夹层板的芯层高度及重量不变的情况下,分析讨论芯层不同排列顺序对夹层板上、下面板中心处速度、塑性变形和各部件吸能的影响。[结果]结果表明:夹层板上面板中心点处最大速度随迎爆面一侧芯层密度的增大而减小;芯层密度从迎爆面到背爆面依次为高—低—中排列顺序的夹层板的抗爆性能最好;芯层吸收了大部分能量,并且在迎爆面一侧密度小的排列组合其吸能特性最好。[结论]数值分析结果可为泡沫铝夹层板的芯层优化设计提供参考。     

基于统计能量法泡沫铝三明治板隔声性能研究

针对泡沫铝三明治板隔声性能较难评估的问题,提出简单可行的基于统计能量评估方法。以泡沫铝三明治板结构为研究对象,基于统计能量法对其隔声性能进行数值计算,并与实验结果进行比较分析,验证了数值计算方法的可行性。利用此方法研究泡沫铝三明治板结构的夹芯泡沫铝厚度、孔隙率以及增加空气层对其隔声性能的影响,发现当夹层泡沫铝厚度为10 mm、孔隙率为70%时三明治板隔声效果最佳,泡沫铝厚度平均每增加10 mm其隔声量增加2 dB,同时增加空气层可以增加其隔声量。     

玻璃纤维/树脂复合材料泡沫夹层板弯曲能量耗散机制

[目的]为了解玻璃纤维/树脂复合材料夹层板在弯曲载荷作用下的能量耗散机制,从能量耗散角度开展数值模拟分析和试验研究。[方法]基于有限元软件ABAQUS建立玻璃纤维/树脂复合材料泡沫夹层板的有限元分析模型,对三点弯曲试验中典型的破坏模式和能量耗散机制进行模拟分析,将数值模拟结果与试验结果进行对比。在数值模型有效性分析的基础上,进一步分析面板和夹芯层厚度对玻璃纤维/树脂复合材料泡沫夹层板力学承载性能和能量耗散机制的影响。[结果]结果表明,增加表层复合材料面板厚度能够更大程度地提高玻璃纤维/树脂复合材料泡沫夹层板的比吸能效率。[结论]研究成果可为玻璃纤维/树脂复合材料泡沫夹层结构的工程防护应用设计提供参考,具有一定的理论意义和工程应用价值。     

大挠度板抗冲击特性分析

为了探究大挠度板在爆炸载荷下的抗冲击特性,文中采用ANSYS／LS—DYNA对其进行了数值研究。一方面通过对单层板和三层板进行抗冲击性能分析对比,得到了冲击载荷对单层板和多层板结构的影响;另一方面,通过直板、小曲率板和大曲率板三种模型的抗冲击性能计算,分析得到曲率对板结构抗冲击性能的影响。两类模型主要从位移响应,应变及吸能三个方面进行了评价,分析结果可为大挠度板结构抗冲击设计提供参考。     

船用钢-聚氨酯复合夹层板的冲击性能分析

钢-聚氨酯复合夹层板作为一种新型复合材料,已成功运用于船舶的修造中。本文利用试验及有限元数值模拟的方法对普通钢板和该复合夹层板的冲击变形及能量吸收进行了对比分析,探讨了钢-聚氨酯复合夹层板的能量吸收机理及抗冲击性能,为该复合夹层板在船舶设计与制造方面的应用提供有益的参考。     

蜂窝夹层板的优化设计分析

夹层板结构是近代发展起来的一种比较先进的结构形式,具有比强度高、比刚度大等特点。为优化夹层板的抗冲击性能,以某船底部板架单元为基础,在保证夹层板总质量和主尺寸与原板架相同的前提下,建立4组六棱柱蜂窝夹层板模型,其中每组夹层板的夹层质量各不相同。首先利用有限元软件ABAQUS模拟夹层板在冲击波载荷作用下的响应,对比夹层板的结构损伤并筛选出每组中结构损伤最小的夹层板板型,然后从能量吸收的角度分析夹层板的抗爆抗冲击性能,得到一种优化的夹层板模型。     

低速碰撞载荷下钢制波纹夹层板动态响应研究

基于有限元软件Ansys/LS-DYNA,对钢制梯形波纹夹层板在低速碰撞载荷作用下的动态响应进行数值仿真研究,分析碰撞能量、冲头直径大小、碰撞位置和冲头撞击方向对夹层板动响应特性的影响。结果表明,随着碰撞能量从100 J增加到400 J,面板变形呈现出线性增加的趋势,碰撞能量达到一定水平后,结构出现损伤破坏,并且发现这种损伤的发生存在相对恒定的临界值,上面板吸能占比减小了30.5%,芯层和下面板吸能占比依次增加了12.4%,18.1%。冲头直径过小会带来明显的载荷局部效应,碰撞位置位于芯层胞元跨中时芯层无法对冲头进行直接支撑,这都会引起上面板的撕裂破坏,甚至被冲头贯穿。随着冲头撞击角度增加,上面板的撕裂破口逐渐由横向变为纵向,夹层板整体的能量吸收速率逐渐变大。在给定的载荷状况下,冲头30°撞击时,夹层板的耐撞性能较优;冲头90°撞击时,夹层板的耐撞性能较差。     

边界尺寸对爆炸冲击载荷作用下薄板响应影响仿真研究

舰船舱室在遭遇反舰武器攻击时会受到高强度冲击波载荷对舷侧板的毁伤作用。对不同边界尺寸下的薄板在爆炸冲击载荷作用下的挠度变化的时间历程响应进行理论分析和数值模拟。根据板的弹塑性变形理论,通过能量法建立修正后的薄板在爆炸冲击载荷作用过程中的动态响应方程,并通过数值模拟建模仿真计算与理论计算值及试验值对比,验证在不同边界尺寸下该理论计算方法有较好的可靠性及精确度。     

夹芯结构的疲劳裂纹损伤扩展研究

本文以夹芯复合材料板的疲劳试验为基础,结合裂纹探测技术对疲劳裂纹扩展及累积损伤过程进行了检测,实现了全寿期内裂纹发生、扩展直至最终破坏的整个疲劳累积失效过程的追踪。基于累积损伤追踪过程的数据规律,提出了适用于夹芯复合材料结构疲劳渐变累积损伤过程的材料性能渐降模型,建立了以剩余刚度为表征参量的复合材料结构的疲劳累积损伤状态量D的失效准则,最后推导了夹芯复合材料板在面内弯曲受载路径下,结构疲劳寿命的预测力学模型。     

双层加筋板水下声振耦合特性研究

文章以双层加筋板为对象,分别采用传统的结构有限元耦合声学边界元(FEM/BEM)方法和结构有限元/声学自动匹配层(FEM/AML)直接声振耦合计算方法,计算了结构水下辐射噪声,并对两种方法进行对比分析,验证了FEM/AML直接声振耦合算法的准确性及高效性。在此基础上,采用FEM/AML直接声振耦合计算方法研究了双层加筋板结构单面触水的声振耦合特性,分析了载荷位置、载荷的性质,双层板的板厚、筋板的厚度以及布置方式等结构参数对辐射噪声的影响。     

船舶艉轴承刚度和螺旋桨陀螺效应对轴系回旋振动特性影响的分析

当船舶轴系运行工况恶劣时,由于轴系后尾轴承与轴颈之间润滑不佳,使得轴承刚度发生较大变化,处于各向异性状态,这会影响轴系回旋振动特性。文章针对某大型集装箱船,在计入螺旋桨陀螺效应的基础上,借助于有限元ANSYS软件,研究了后艉轴承水平刚度单独变化对回旋振动固有频率、临界转速和振动响应的影响。其主要结果表明,后艉轴承水平方向刚度单独降低时,该方向上的横向振动固有频率降低,逆回旋振动固有频率在此基础上进一步降低;其轴频、叶频和倍叶频的正逆回旋临界转速和回旋振动响应均与各向同性时不同。     

基于l1范数稀疏解的水下双层圆柱壳振动声辐射预报影响因素研究

基于模态叠加法理论,采用l1范数稀疏解方法,实现了水下双层圆柱壳由内壳有限测点振速值重构得到内、外壳振速空间分布,进而基于边界元理论对结构水下辐射声场进行预报。通过数值计算,分析了模态数目、测点数目和模态振型误差等因素对振动声辐射预报结果的影响,为指导速度场重构时模态数目、测点数目的选取提供了一定的理论依据;结果表明基于l1范数稀疏解声学预报方法对模态振型误差有一定的鲁棒性。最后开展了水下典型双层圆柱壳结构振动声辐射预报的试验研究,可为工程领域结构的声振预报提供一定的指导思路。     

随轴系做复杂空间运动的船舶 螺旋桨水动性能计算

船舶航行时,附在转轴上的螺旋桨通常做复杂的空间运动。这是因为一方面螺旋桨和转轴不可避免地存在偏心,使得在不平衡激励下转轴在绕自身中心线旋转的同时又发生空间涡动(又称为进动);另一方面,螺旋桨通常工作在不均匀的流场中(即使来流均匀,轴系涡动亦会导致流场的不均匀),桨叶表面的脉动力也会导致转轴的空间振动。对具有复杂三维运动的螺旋桨的水动性能预报是一个难点。本文建立了螺旋桨在流场中随轴系做复杂空间运动时的水动力预报数学模型,并利用不定常面元法求解了这一问题。该方法按时间步顺序求解,考虑了不均匀流场、轴系振动、尾涡的非线性运动及卷曲等因素。利用本文提出的方法并结合结构动力学模型,可以方便地研究流体-螺旋桨-轴系双向流固耦合等问题。同时该方法也可以用来预报船舶转弯、船舶升沉及纵摇振荡、螺旋桨启停及加速等复杂工况下的螺旋桨水动性能。文中通过一个算例验证了算法的有效性。最后,预报了轴系纵向振动幅值为1 mm,振动频率为3 Hz并伴有微量回旋振动时所引起的4381螺旋桨的脉动力。研究表明推力脉动分量大约为其静态分量的4.5/1 000,扭矩脉动分量大约为其静态分量的4/1 000。     

夹芯强度对新型液舱防护效能的影响

舰船防护液舱在高速弹体作用下会发生大变形,防护难度较大。文章对新型防护液舱结构进行了分析,建立了含方格夹层板的液舱结构模型,通过与实验数据对比验证了数值计算方法的有效性,并对不同弹体速度、不同芯层强度下的夹层板防护效能进行了比较,并进行了机理分析。研究结果表明:(1)适当降低芯层强度能降低液舱前后板测点的压力载荷和比冲量,明显降低液舱前板的塑性变形;(2)芯层强度降低提高防护效能的主要机理是减小了液舱中的超空泡滞后流;(3)液舱新型防护夹层设计应考虑具体侵彻弹体载荷,适当降低芯层强度的同时应避免防护夹层前后壁发生贴合碰撞。研究结论为新一代航母防护液舱设计提供了参考。     

螺旋桨附连水效应的数值计算方法研究

在船舶推进轴系振动和校中计算分析中,螺旋桨在流场中引起的附连水效应是一个很重要的参数。但实际计算中,螺旋桨附连水效应一般用其自身转动惯量和质量乘以一个经验系数来得到。针对该不足,文章介绍了分析螺旋桨附连水效应的稳态谐响应数值计算方法和常用经验公式。通过对一个多用途船的螺旋桨附连水效应进行数值计算,并与经验公式的估算结果进行对比分析,误差均在合理范围内,验证了该数值方法的可应用性。     

基于Halbach阵列作动器的柴油机低频振动传递控制

柴油机是舰艇三大噪声源中机械噪声的主要贡献者,控制柴油机传往甲板或壳体的振动意义重大。该文基于Halbach阵列研制的新型作动器用于控制柴油机的低频振动传递。首先基于MATLAB平台利用实测数据对LMS算法中的滤波器系数和步长进行优化选择,然后通过实验验证了该作动器和所设计控制器的有效性。结果表明使用低频线谱自适应控制策略以后,基座和甲板振动在控制作用频率上均得到抑制,取得7dB左右的控制效果。     

基于改进MPS方法的三维时域水弹性计算模型

本文在作者已有的二维改进MPS(Moving Particle Semi-implicit)方法基础上进行了三维拓展(主要包括三维自由面粒子判断),并通过将计算得到的三维溃坝问题结果与文献中实验结果相对比,验证了所发展模型的准确性。在结构响应计算方面,将刚性和柔性模态耦合并计及相互影响。在此基础上,将流体和结构部分通过迭代方式耦合,从而实现强流固耦合计算。最后,应用上述模型对涉及大刚体位移叠加弹性变形的三维方梁的强非线性时域水弹性问题进行了计算,验证了模型对此类问题的有效性。     

耦合激励下的液舱晃荡新型数值解法

对于液舱内流体运动的模拟,传统频域边界元方法具有很大的局限性即离散求解方程时会出现奇点问题,同时在交界面处所得速度分布精度较低。而去奇异边界元法将传统做法中直接布置于流体计算域表面节点上的奇点移至计算域外部,很好地解决了奇异性问题。该文基于去奇异边界元法,建立了模拟液舱内流体晃荡问题的流体动力学数值模型,并利用FORTRAN语言开发了可模拟任意尺度液舱晃荡的程序。文中模拟了单向激励和横荡纵荡耦合激励下液舱晃荡问题,并将结果与解析解进行了对比。结果表明,数值解和解析解吻合很好,说明了该方法的准确性和有效性。