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。     

基于拓扑优化和尺寸优化的水下耐压球壳轻量化设计

大深度载人潜水器往往采用开孔耐压球壳作为其主要的承压结构,球壳开孔加强结构的优化设计,对减轻球壳重量,提高球壳承载能力具有重要意义。本文介绍拓扑优化的方法以及耐压球壳优化设计的基本流程,以4 500 m耐压球壳为研究对象,基于Hyperworks和Workbench软件,建立了耐压球壳的有限元模型,进行静力分析,并根据结果对球壳的开孔加强结构进行拓扑优化和尺寸优化,得到最优的加强形式。优化结果表明,优化后的耐压球壳的刚度和承载能力得到显著提高。     

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。     

在面内压力作用下点腐蚀低碳钢板的非线性有限元分析(英文)

无论是军船还是民船,船体及主要结构构件表面的点腐蚀对于船舶结构强度和安全性都有较大的破坏作用.文中采用系列非线性有限元计算研究了点腐蚀对于低碳钢板极限抗压强度的影响,模型中计及板初始缺陷的影响,详细讨论了板和点腐蚀物理、几何特性的变化对于板极限承载能力的作用.研究发现在众多影响因素中(例如点腐蚀的直径和深度、板的柔度系数等),点腐蚀密集度指标DOP对于板的极限承载能力有主要和直接的影响.此外,在腐蚀环境恶劣的情况下,厚低碳钢板的使用不一定如预期的那样能延长其使用期限.     

焊接残余应力对深潜器耐压球壳承载能力的影响

耐压球壳通常采用焊接方式将两个半球壳连接成整球,在焊缝处产生的接近材料屈服强度的焊接残余应力对球壳的承载能力有多大的影响,是否需要做焊后消除残余应力处理,将直接影响球壳的安全性和生产成本。而现有对球壳极限强度计算,无论是理论计算还是数值计算,均只考虑了球壳初始缺陷中的几何缺陷对球壳极限强度的影响。该文将在现有的耐压壳极限强度设计公式基础上,采用数值计算的方法对耐压球壳的焊接过程进行数值模拟,得到焊后球壳的焊接残余应力分布,并在此基础上考虑残余应力对球壳极限强度的影响,结果表明,对于大潜深厚球壳,焊接残余应力对耐压球壳承载能力影响不显著,为大深度潜器耐压球罐是否需做焊后消除残余应力处理提供了一定的参考依据。     

大曲率复合材料壳板弯曲试验及仿真

本文针对某罩壳结构局部模型的试验过程中出现的反向凹曲问题,以有限元仿真方法研究曲壳的弯曲特性及影响因素,重点探讨曲壳曲率、厚度以及曲壳的弯曲刚度等因素对曲壳屈曲、后屈曲过程中的位移、应力以及曲壳屈曲后回复特性的影响。研究表明:曲率半径及壳板厚度与曲壳的弯曲刚度正相关,提高曲率半径可有效增加曲壳的承载能力;曲壳弯曲刚度对曲壳抗弯特性的影响为线性,屈曲载荷随弯曲刚度增加而线性增大。     

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.     

点蚀损伤板在复杂受力状态下的极限强度研究

采用非线性有限元软件模拟船底板单面点腐蚀,通过对边缘载荷系数比、蚀坑分布、直径、深度的改变,经过一系列的数值计算分析,结果表明横向载荷和侧压对板的极限强度影响不可忽略,计算板的极限承载能力时需要考虑计及侧压与横向载荷。在复杂受力状态下,就单考虑蚀坑深度时,板表面的蚀坑深度在0~0.5t区间变化时,极限强度相应的折减率比大于1/2板厚时更大,极限强度对蚀坑深度更加敏感。腐蚀面积不能有效表征腐蚀程度,当DOP系数相同时,点蚀后板的最小横截面决定了极限强度的大小。     

含坑点腐蚀的深海耐压球壳有限元分析

对于含坑点腐蚀等局部缺陷的球壳结构,由于结构的不连续性以及缺陷部位应力状态的三维特性,因此很难用传统的连续介质理论及板壳理论进行求解。为了对含坑点腐蚀的球壳的强度、稳定性进行精确分析,文中分别采用坑点腐蚀壳体单元(Pitting Corrosive Shell Element,PCSE)、基于多点约束(Multipoint Constraint,MPC)的壳体单元-实体单元集成以及实体单元三种方法进行对比计算,对比结果表明,采用PCSE方法的计算效率最高,且计算结果的精度满足工程应用要求。最后,基于PCSE方法并通过方差分析,讨论了坑点腐蚀对球壳强度及稳定性的影响。     

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。