夹层圆柱壳结构的优化设计

针对一种全新的潜艇耐压壳体结构形式——夹层圆柱壳结构形式,借助适用于该种结构形式的解析法计算公式,并选定约束条件进行了优化设计,编写了优化程序;分析了该种结构形式与单层耐压壳体结构形式相比较所存在的利弊;在比较过程中,给出了四个优化算例以及比较结果,通过比较分析得出了这样的结论:对于建造大潜深的潜艇,夹层圆柱壳结构形式是一种可以考虑的结构形式。     

加筋圆柱壳开孔围栏肘板拓扑优化设计

[目的]在水下耐压圆柱壳结构开孔围栏与环向肋骨连接处,易出现应力集中。[方法]为此,提出一种开孔围栏与环向肋骨连接肘板拓扑优化设计方法,以有效降低肘板区域的局部高应力。首先,采用子模型技术对连接肘板区域结构进行精细化应力分析;然后,以连接肘板为设计变量,考虑耐压壳板、围栏和肋骨特征点的应力约束,以肘板区域最大应力最小化为目标函数进行拓扑优化,并对拓扑优化结果进行工程化处理,得到最终的肘板形式。[结果]计算结果表明,面板局部加宽的肘板形式可以有效降低应力集中程度;开孔围栏位置横向偏置时,远离中纵剖面一侧的肘板面板加宽长度较大;连接肘板与开孔围栏中心偏置时,肘板面板关于其腹板对称设计即可。[结论]所做研究可为类似结构设计提供参考。     

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。     

近似模型在非均匀环肋圆柱耐压壳优化中的应用研究

为提高潜水器耐压壳的稳定性和材料的利用率,该文在圆柱耐压壳设计中引入了非均匀肋骨布置方案,采用不等刚度不等间距分布的肋骨形式。在优化过程中,引入了近似模型技术,提出基于近似模型的非均匀环肋圆柱壳结构优化设计方法,通过试验设计在设计空间内选取样本点,建立近似模型,并以此搭建了近似模型优化策略对环肋圆柱耐压壳进行优化。研究结果表明,对于非均匀环肋圆柱壳采用合理的肋骨布置方案能有效地提高其力学性能及材料利用率;二阶 RSM 近似模型和 RBF 近似模型均能合理反映样本空间的样本点,基于近似模型优化方法能以较小的计算量克服优化过程中出现的数值噪声和错误。良好的优化结果表明该优化方法具有广泛的应用前景和空间。     

基于实测几何缺陷的圆柱壳外压承载能力分析

[目的]为研究含真实几何缺陷的有限元模型建立途径,并基于不同类型缺陷对某缩比耐压圆柱壳结构的承载性能进行预测分析,[方法]提出基于二次型变换的几何缺陷提取方法,利用双重傅里叶级数表达实测初始几何缺陷,建立实测初始几何缺陷的引入方法。根据特征值模态型缺陷和实测缺陷,分别分析获得的缩比耐压圆柱壳的外压屈曲承载能力。[结果]结果显示,傅里叶级数法在不降低计算精度的前提下仅涉及网格节点的遍历和少量函数值的计算,使缺陷引入的计算效率得到显著提高。[结论]傅里叶级数法能够为圆柱壳结构极限承载能力的精确分析及结构优化设计提供指导。     

深潜器多球交接耐压壳结构性能研究

多球交接耐压壳综合了单球壳和加筋圆柱壳2种耐压壳的优点,是一种更加安全和经济的深潜器耐压壳结构形式.本文以极限强度和浮力系数为主要指标,研究了多球交接耐压壳各几何参数对结构性能的影响,并考虑了环向加强肋设于耐压壳外部的情况.在本文中,耐压壳的极限强度利用ANSYS软件通过非线性有限元方法计算得到;同时,还利用多学科设计优化软件iSIGHT,对多球交接耐压壳的4个几何参数进行试验设计,并以其对耐压壳的极限强度和浮力系数的主效应和贡献率为标准,评价了它们对于整体结构性能的影响.     

夹层圆柱壳结构的应力与总稳定性分析

提出了一种新型潜艇耐压壳体结构形式--夹层圆柱壳结构形式,通过解析法和有限元法计算结果的比较,讨论了适用于该种结构形式的解析法计算公式.     

外置式耐压液舱实肋板拓扑和开孔尺寸优化

[目的]为了简化建造工艺和减轻液舱结构重量,对外置式耐压液舱实肋板结构进行拓扑优化和开孔尺寸优化设计。[方法]首先,利用Hyperworks/Optistruct对外置式耐压液舱整体模型进行结构应力分析。然后,在拓扑优化中,除与液舱壳板和耐压船体壳板相连的约100 mm长条状范围外,以实肋板其他范围内的单元密度为设计变量;以与实肋板相连的液舱壳板和船体壳板上结构的典型应力及实肋板体积分数为约束,以实肋板上最大Mises应力最小化为目标,针对满载和空舱两种工况,利用商用软件Hyperworks/Optistruct对实肋板结构进行拓扑优化。最后,基于Matlab和ANSYS联合优化,以实肋板上von Mises应力和剪应力为约束,以相应结构重量极小化为目标,对实肋板开孔进行尺寸优化,从而得到精细化开孔方案。[结果]拓扑优化结果表明,外置式耐压液舱实肋板开减轻孔应集中在中、下部。开孔尺寸优化结果表明,相比初始方案,实肋板剪应力增加38%,其他关注区域应力相当时,内部实肋板上结构重量可降低19%。[结论]两类优化设计均表明,外置式耐压液舱实肋板开减轻孔应集中在中下部,且从下到上开孔面积应逐渐减小。     

基于粒子群算法的环向加筋夹层圆柱壳体优化设计

为了获得环向加筋夹层圆柱壳体尺寸的最优化参数,首先参考一般环肋圆柱壳体强度与稳定性校核方法,并根据环向加筋夹层圆柱壳体应力分布规律和稳定性特征,提出环向加筋夹层圆柱壳体强度与稳定性校核方法;其次以强度与稳定性要求为约束、以结构重量最轻为目标,建立优化设计的数学模型,并利用粒子群优化算法完成了环向加筋夹层圆柱壳体的尺寸参数优化。最后探究了结构重量随极限潜深增大的变化规律。研究成果表明,利用粒子群优化算法进行环向加筋夹层圆柱壳体参数优化设计可以获得令人满意的结果。     

潜艇外部耐压液舱结构型式研究

讨论了潜艇外部耐压液舱可能的结构形式。指出了传统的全实肋板外部耐压液舱、耐压船体壳板应力集中较严重，轴向应力很大。指出了加强液舱南板难以降低耐压船体壳板应力，反过来，加强耐压船体壳板也难以改善液舱壳板的应力状态。指出了液舱壳板加纵骨的全实肋板同心双层圆柱层是一种优良的耐压液舱新型结构型式。     

夹层圆柱壳结构的应力与总稳定性分析

提出了一种新型潜艇耐压壳体结构形式——夹层圆柱壳结构形式，通过解析法和有限元法计算结果的比较，讨论了适用于该种结构形式的解析法计算公式。     

夹层圆柱壳结构的参数分析与优化

由于潜艇大潜深的需要，曾有人提出过一种全新的潜艇耐压壳体结构形式——夹层圆柱壳结构形式，并给出了适用于该种结构形式的解析法计算公式。本文针对该种结构形式进行了大量的模型计算，重点进行了参数分析，并对各参数的组合进行了优化。     

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。     

静压作用下夹芯复合材料圆柱壳失效模式的有限元分析

基于有限元计算软件ABAQUS,对静水压力作用下夹芯复合材料圆柱壳的失效模式进行研究。首先,采用ABAQUS的材料库和单元库,建立高效、精确的夹芯复合材料圆柱壳的仿真计算方法;进而,基于TSAIW理论、Hashin理论和第四强度理论,分别建立表层材料和芯材的强度失效判据;最后,分析跨度/半径比、表层/芯材厚度比、内/外表层厚度比以及铺层角度等因素对圆柱壳失效模式的影响规律,可为夹芯复合材料圆柱壳的结构优化设计提供依据。     

纤维缠绕复合材料夹层圆柱壳局部刚度特性分析

为探究缠绕工艺引起的纤维交叉起伏对结构局部刚度的影响,本文以湿法缠绕工艺成型的夹芯复合材料圆柱壳为研究对象,通过开展深水静压试验,采集典型区域的32个典型测点应变,得到载荷—应变规律曲线,分析了夹层复合材料缠绕圆柱壳在深水环境下的应力应变状态。研究表明:缠绕工艺导致圆柱壳表层应变呈非均匀周期性分布,环向交叉起伏及螺旋交叉起伏造成结构局部刚度降低,比层合区刚度低约33.4%。     

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.     

基于ANSYS的复合材料帽型骨材结构优化及等效研究

建立无芯材、含PUR芯材、PVC芯材三种结构的复合材料帽型骨材有限元模型,分别采用梁单元和壳单元模拟帽型骨材加筋梁,在满足相应的约束条件下,对帽型骨材加筋板结构的有限元模型进行优化分析。结果表明,对于局部结构的有限元模型,骨材中的PUR和PVC泡沫芯材可以不计;建立整船模型时可用梁单元代替壳单元模拟帽型骨材加筋梁;运用ANSYS的APDL语言编程进行帽型骨材加筋板架优化分析,实现了目标最优。     

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.     

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。     

加筋圆柱壳开孔结构强度分析

加筋圆柱壳开孔结构是潜艇典型耐压船体的主要结构形式之一,如何避免在开孔周围造成应力集中,即开孔结构补强是工程中特别关心的问题。在设计过程中,因为要多次建模分析,会导致设计分析效率变低,所以开发了加筋圆柱壳开孔结构的参数化建模分析程序。基于参数化建模分析程序,讨论了多参数对于开孔周围应力集中的影响。