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。     

Numerical investigation on the ultimate strength of stiffened cylindrical shells considering residual stresses and shakedown

In this paper, the effects of residual stresses on the ultimate strength of stiffened cylinders are numerically investigated with an emphasis on shakedown which might occur during the service of these structures. Residual stresses caused by two types of actions, namely, cold bending and welding, are simulated with simplified approaches in numerical analysis. Cold bending stresses are simulated by simulating cold rolling and elastic springback until the desired curvature for cylindrical shell is obtained. Welding is simulated by applying cooling down to a certain temperature on the elements adjacent to stiffener-shell joints to obtain weld-shrinkage with realistic magnitudes. Six small-scale externally pressurized ring-stiffened cylinder models are utilized to evaluate the appropriateness of the method for inclusion of welding residual stresses in numerical analysis by comparing the experimental and numerical results. Ultimate strength analyses are then performed for a reference ring-stiffened cylinder model under radial pressure and stringer-stiffened cylinder under axial loading. To assess the effect of shakedown, after applying cyclic compressive loading to the ring-stiffened cylinder model, the level of stress relief and the change in the ultimate strength are evaluated.     

内压对锥柱耐压壳焊接残余应力影响的数值模拟与试验研究

耐压结构在使用前一般都要进行内压试验,经过内压试验后结构的焊接残余应力会发生改变。残余应力的变化会对结构的力学特性有一定影响。文章首先运用ANSYS的APDL语言编写了大尺度锥柱耐压壳模型焊接残余应力数值模拟程序,对耐压结构的初始残余应力和经过内压试验后残余应力的变化进行计算;然后,采用X射线无损检测方法对该大尺度锥柱耐压壳模型的初始残余应力和经过内压试验后的残余应力进行测量。计算结果与试验结果表明,随着内压增加,内壳残余拉应力不断降低;而外壳残余压应力则变化不大;并且数值模拟结果与试验结果基本吻合。该文研究结果为更加合理可靠地进行耐压结构力学特性分析提供了理论依据。     

外压法调整耐压球壳焊接残余应力的 数值模拟与试验研究

深海耐压球壳经过外压作用后结构的焊接残余应力会发生改变,文章首先运用ANSYS的APDL语言编写了深海耐压球壳人孔区域焊接残余应力数值模拟程序,对耐压球壳的初始残余应力和经过外压试验后的残余应力的变化进行计算;然后,对加工完成的试验模型采用X射线无损检测方法对该深海耐压球壳人孔区域的初始残余应力和经过外压试验后的残余应力进行测量。数值模拟结果与试验结果表明两者基本吻合;随着外压增加,最大残余拉应力和压应力都不断减小。该文研究结果为合理运用外压法调整焊接残余应力提供了依据。     

焊接残余应力对环肋圆柱壳水下声辐射影响研究

文章重点研究了焊接残余应力对环肋圆柱壳水下声辐射的影响。通过运用热弹塑性有限元法数值模拟环肋圆柱壳对接焊接过程,得到厚板环形焊缝的三维残余应力场和应变场,然后对含有残余应力的环肋圆柱壳动力特性进行研究,并运用有限元法和边界元法分析了低频激励下其水下声辐射的特点。研究结果表明焊接残余应力对环肋圆柱壳声辐射有较明显的影响,不仅使声辐射功率曲线和外场声压曲线向低频移动,而且使在大部分激励频率上含有焊接残余应力结构的声辐射功率和外场声压均大于无焊接残余应力结构。     

锥柱耐压壳高强度钢典型焊接接头残余应力研究

锥柱耐压壳常采用高强度钢建造,高强度钢对焊接残余应力较为敏感,因此有必要针对耐压结构典型焊接接头的残余应力进行研究。本文基于热弹塑性相关理论,采用Ansys的APDL语言编制焊接残余应力数值模拟程序。研究板厚、板宽、锥角以及焊接速度、焊喉温度对典型焊接接头轴向焊接残余应力的影响。研究表明:锥柱耐压壳凹面焊趾附近区域残余拉应力较大,应作为疲劳强度研究的重点区域。板厚和焊喉温度对残余拉应力的影响较残余压应力大;板宽和锥角对残余拉、压应力影响均较大。本文的研究可以控制焊接残余应力和优化焊接加工工艺,并为后续耐压结构疲劳强度的研究奠定相关理论基础。     

焊接残余变形对深海耐压环肋圆柱壳稳定性的影响

焊接残余变形对深海耐压环肋圆柱壳结构的稳定性是否有影响是个非常值得关注的问题.文章对深海耐压环肋圆柱壳结构的焊接残余变形和残余应力进行了分析,并进行了相关试验数据验证.由于耐压结构壳体和肋骨的焊接残余应力相对偏小,然后着重研究残余变形对深海耐压环肋圆柱壳结构的稳定性和极限承载能力的影响.结果表明:焊接残余变形对耐压舱段结构的稳定性和极限承载能力影响不大;叠加有初始焊接变形的结构肋骨失稳波形较少;计算结果更偏于工程实际.     

潜艇结构的焊接残余应力研究现状

潜艇结构在焊接过程中产生的残余应力是关系到结构安全的重要指标.由于焊接是一个涉及到热、力、冶金等多学科的极为复杂的过程,要对其进行准确预测十分困难.本文首先对与潜艇相关的厚板、环焊缝和压力容器焊接残余应力的技术现状及存在的主要问题进行论述;然后介绍潜艇焊接残余应力的试验和模拟;并对残余应力影响潜艇结构疲劳强度和稳定性以及潜艇结构残余应力消除技术等方面进行了详细论述和总结;最后指出了一些尚待进一步研究的问题.     

Stability characteristics of ring-stiffened cylindrical shells under different longitudinal and transverse external pressures

Because ring-stiffened cylindrical shell structures have many merits, they are widely used in many areas. However, as the strength of steel increase continuously, ensuring of the structure stability is becoming more and more important. Therefore, it is necessary to carry on a more particular analysis. Based on the understanding and analysis of the characteristics of stability for a ring-stiffened cylindrical shell under uniform external pressure and under external single pressure, the characteristics under different cross uniform external pressures are analyzed, and the regularity of it is also gotten. The curve of stability given various geometrical parameters under different cross uniform external pressures is protracted by the analysis of the theory. The conclusion not only improves the theory structural mechanics, it also was important effects on engineering calculation and design.     

半圆环壳型肋骨加强的耐压圆柱壳结构稳定性研究

耐压圆柱壳通常采用环肋加强以提高在静水外压作用下的结构稳定性.本文提出了半圆环壳型肋骨加强的耐压圆柱壳结构形式,在理论和模型试验研究的基础上建立了设计计算方法.研究结果表明:半圆环壳型肋骨与耐压壳板有两个连接点,减小了相邻两肋之间的净距离,能较大幅度地提高肋间壳板的稳定性;由于半圆环壳型肋骨侧向稳定性较大,合理设计半圆环壳半径和厚度,增加半圆环面内惯性矩,可以较大幅度地提高耐压壳总体失稳压力.     

An overview of buckling and ultimate strength of spherical pressure hull under external pressure

The load-carrying capability of spherical shells under external pressure has been the subject of a long history and many theoretical and experimental studies have been carried out. However, from a comparative study on the design rules for the minimum thickness of the deep manned spherical shells from various classification societies, significant differences have been found. This indicates that these design rules need to be updated and unified like Common Structural Rules for tankers and bulk carriers. In order to lay a foundation for this target, a systematic study is carried out to develop a consistent calculation method for predicting the ultimate strength of spherical pressure hull under external pressure. This is the first paper of a series of three for reporting this study and in this paper, a critical review on the buckling and ultimate strength of spherical pressure hulls is carried out and further problems to be studied are identified. This could lay a solid foundation for the further study.     

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。     

残余应力释放影响FPSO疲劳强度的研究综述

浮式生产储油卸油船(FPSO)服役前常经历过较大的静载荷,会使焊接接头处较高的残余应力产生释放,船舶结构还承受着不断变化的波浪载荷。在估算FPSO等船舶结构典型焊接接头的疲劳强度时,需考虑残余应力释放的影响。介绍了国外学者对该方面的研究动态、发展趋势和研究成果。详细描述了基于残余应力释放的FPSO疲劳强度需重点关注的一些问题。     

焊接残余应力对疲劳寿命影响的定量研究

在以往的研究中,残余应力对疲劳寿命的影响基本上均局限于定性分析,很少给出定量的研究结果。文章基于双参数统一方法,开展了锥柱结合壳处的残余应力对疲劳寿命的定量计算分析,给出了残余应力对疲劳寿命影响范围,并通过试样疲劳试验进行了验证。通过研究,可以看出残余应力没有改变裂纹的扩展趋势,但明显加快了裂纹扩展的过程,明显降低了耐压结构的疲劳寿命。     

球-环-锥组合壳在外压下的强度计算方法评述

目前球-环-锥结构在外压作用下强度的计算有3种方法,即旋转壳有限元法、解析法和弹性基础法。重点介绍了这3种方法的基本假设及基本思路。对比各种方法的使用范围和局限性,弹性基础梁由于自身的优越性,是当今规范设计中球-环-锥结构的强度计算方法。     

静水压力下复合材料夹层圆柱壳承载特性分析

本文基于有限元软件Abaqus,采用三维内聚力单元模拟蒙皮与芯层界面,建立静水压力载荷下复合材料夹层圆柱壳极限承载能力预报方法,数值计算与试验结果吻合较好,验证数值模型和计算方法的准确可行性。进而,研究了浮体/吸声混合芯材夹层复合材料圆柱壳芯层模量对承载特性的影响,并基于Isight与Abaqus集成运算,以提高临界失稳载荷为优化目标,对深水静压作用下的复合材料夹层圆柱壳表层缠绕方式进行优化设计,得到最优表层缠绕角度。研究结果对复合材料夹层圆柱壳的水下应用与研究有一定参考价值和指导作用。     

静水压力作用下环肋圆柱壳自由振动基频的数值拟合公式

圆柱壳是航空、宇航飞行器和海洋工程中大量采用的结构形式,它的动态特性一直受到广泛的研究.本文基于Flugge经典壳体理论和正交各向异性方法,求解了静水压力作用下薄膜简支边界环肋圆柱壳的自由振动基频,给出了基频的最低包络面.采用序列二次规划方法(SQP),对基频进行数值拟合,给出了回归公式及其误差分布,大部分拟合点的相对误差都在±10%以内.本文提出的公式具有较高的精度,可为实际设计提供参考.     

物理压力下船体外侧抗压能力的非线性建模

物理压力下船体外侧抗压能力具有比较强的非线性变化特点,而当前物理压力下船体外侧抗压能力估计方法没有考虑该特点,使得估计误差大,为了提高物理压力下船体外侧抗压能力估计结果,设计一种物理压力下船体外侧抗压能力估计的非线性建模方法。首先收集物理压力下船体外侧抗压能力的历史样本数据,并采用灰色模型对物理压力下船体外侧抗压能力进行估计,然后采用神经网络对物理压力下船体外侧抗压能力进行估计,并通过加权对灰色模型和神经网络的物理压力下船体外侧抗压能力估计结果进行组合,最后进行物理压力下船体外侧抗压能力估计效果的验证性测试,结果表明,相对于其他方法,本文方法能够更加准确描述物理压力下船体外侧抗压能力的非线性变化特点,提高了物理压力下船体外侧抗压能力估计精度,具有一定的实际应用价值。     

钻孔法检测残余应力技术中有关参数的数值计算分析

通过建立有限元数值模型,分别模拟了钻孔前后两种不同状态下应力应变分布情况。经比较计算出钻孔后的梁底混凝土表面轴线上各节点的轴向应变,并结合相关理论,计算出钻孔前梁底中心节点应力的理论值,从而找出与梁底中心节点实际施加应力的吻合点。根据节点理论值与实际施加应力的吻合情况,结合应变测量机理,最终确定最佳孔径、孔深和最佳粘贴应变片位置等参数。     

多种型式肋骨加强的耐压圆柱壳体结构稳定性研究

耐压圆柱壳体通常采用环肋加强以提高其在静水外压作用下的结构稳定性.文中在理论分析和实例计算的基础上对多种型式肋骨加强的耐压圆柱壳体的稳定性进行了比较,比较结果表明:在肋骨用材总量相同的情况下,通过合理选择肋骨型式或合理设计肋骨尺寸,使其面内惯性矩增大,可以较大幅度地提高耐压圆柱壳体的总体失稳压力;相邻两肋之间净距离较小的肋骨,可以较大幅度地提高肋间壳板的稳定性.