船舶典型管路冲击动力响应和变形特性数值模拟方法及试验研究

根据船舶典型管路段按1∶10比例设计管路试验模型,冲击试验台上分别进行了不同管夹及支吊架的布置方式下的冲击试验,并对试验结果进行分析,给出典型管路系统冲击响应及变形特点,在此基础上采用时域法结合接触有限元建模技术,对试验模型管路在试验工况下的冲击响应、动态变形进行了数值模拟并与试验结果进行对比分析,结果表明:数值模拟结果的仿真精度较高同时可以很好的模拟管路系统的破坏形式和变形特点.     

螺旋桨无键过盈安装应力数值分析

针对螺旋桨无键过盈安装后桨-轴应力数值计算问题,运用弹性力学理论和ANSYS有限元法进行应力的数值计算。通过理论值与仿真值的对比分析表明:桨-轴应力的仿真值比理论值略大,理论值与仿真值具有较好的一致性;Ansys有限元法考虑了接触边缘区域存在应力奇异性、桨-轴存在轴向应力和螺旋桨外表面存在径向应力的情况,比运用弹性力学理论求解更加准确可靠;通过桨-轴应力计算可以证明过盈量选取的合理性,为检验螺旋桨无键过盈安装的可靠性提供理论基础。     

基于双向流固耦合的航行体高速入水研究

基于弹性体假设对直径为0.533m、以100m/s速度入水的航行体建立了高精度流固双向耦合数值模型,并试验验证了该数值模型的有效性。进行了不同角度的入水仿真,获得空泡及载荷的演变规律。主要结论如下：随着入水角减小,喷溅水幕的闭合时间推迟,空泡非对称性加剧;弹性体在入水时承受的冲击载荷峰值小于刚性体,且呈振荡衰减趋势;航行体应力峰值呈圆环形分布,应力在入水初期出现峰值并振荡衰减,而且在尾部出现应力集中;斜入水时,应力分布及头部纵向变形不对称。随着入水角的增大,应力和应变的峰值增大,应力波传播时间缩短。     

反弧门顶止水窄缝射流水动力特性试验研究*

高水头船闸反弧门顶止水频繁损坏已成为影响船闸运行可靠度的主要问题,开展顶止水工作状态下水动力特性研究十分必要。采用顶止水1:1切片试验装置,开展反弧门小开度运行时顶止水窄缝射流水动力学试验研究,揭示顶止水窄缝射流空化发生发展过程、止水表面动水时均压力分布规律和脉动压力能量分布特征。结果表明,窄缝射流空化在顶止水下表面产生20~80 Hz的高频压力脉动,易引起柔性止水大变形失稳,是阀门开启初期发生冲击性振动的原因。     

典型焊接接头固有应变的影响因素研究

基于热弹塑性有限元法采用多线性各向同性强化原则对船级钢T型接头的焊接过程进行了数值模拟,重点研究分析热输入量、焊接速度及焊脚长对固有变形的影响.从T型接头的固有应变数值分析与实验结果对比可以得到:当热输入量一致,数值计算的温度场和角变形与试验结果基本一致;角变形随着焊接速度和焊脚长增大,先增大后减小;横向收缩与纵向收缩率则有着不同的比例关系。     

船舶结构T型接头焊接变形数值模拟研究

基于ANSYS WORKBENCH有限元软件,建立了某集装箱船T型焊接接头的热-弹塑性有限元模型。通过顺序耦合的计算方式,对接头的焊接温度场、焊接残余应力及变形进行了数值模拟。最后将数值模拟结果与试验结果进行比较。研究结果表明：数值模拟计算得到的T型接头横向位移和纵向位移与试验结果相符合,所建立的数值模拟模型较准确地预报了T型接头的焊接变形情况。     

通道宽度对单颗粒沉降运动影响的直接数值模拟

应用任意拉格朗日-欧拉（ALE）算法对固液两相流流场中颗粒的沉降运动进行了真正直接数值模拟。在牛顿流体中通过积分黏性应力和压力获得颗粒的受力跟踪颗粒运动,使用有限元方法数值求解流场的N-S方程,模型不需经验假设。通过模拟颗粒在不同宽度的竖直通道中的沉降来研究颗粒的沉降规律和竖直通道的宽度对颗粒沉降运动的影响作用。模拟结果表明随着通道宽度的增大,颗粒沉降由稳定沉降转变为不规则摆动沉降,沉降雷诺数开始不断增大,随后又趋于稳定。随着通道宽度的增大,其对颗粒沉降的抑制作用变弱。     

冲击载荷作用下船体变形的数值模拟研究

为了提高船体在冲击载荷作用下的刚度和强度,从而应用在船体的强化设计中,研究冲击载荷作用下船体变形的数值模拟方法,提出基于连续体模型应力评估的船体变形的数值模拟模型,进行船体变形的应力屈服力学分析,建立在冲击荷载下的船体变形的延性断裂行为学模型,采用断裂韧度的规则化测试方法进行船体变形的数值模拟,结合连续体模型应力评估方法进行船体变形的机械强度分析和屈服响应评估,实现船体变形关联约束参量的准确评估和数值模拟。仿真测试表明,采用该方法进行冲击载荷作用下船体变形的数值模拟的精准度较高,通过准确模拟船体变形应力参数进行机械强度设计,改善船体抗冲击载荷能力。     

软黏土固结变形特性及数值模拟验证

软黏土在我国沿海地区广泛存在,且物理力学特性复杂.通过现场取样进行室内试验,研究土体的各种力学特性,并选取合适的参数进行数值计算,模拟模型试验中土体的固结变形及其演化规律,解释试验中的一些特殊现象,得到一些重要结论.在固结变形中,超软淤泥的特殊力学特性使得土体越渗越密,越密越难渗,表现出与其他土体不同的固结特性,因此,必须考虑土体渗透系数随土体孔隙比变化和土体非线性的力学特征等规律.     

三峡升船机对接密封框C形止水压板加固工装与检修平台设计

为了解决三峡升船机对接密封框C形止水压板连接螺栓出现断裂及止水检修维护不便的问题，建立C形止水压板及连接螺栓在不同运行工况下的力学模型，根据对螺栓强度的校核分析结果可知，泄间隙水过程中，C形止水压板连接螺栓所受拉应力大于材料的许用拉应力。根据分析结果并结合现场设备的结构布置特点进行C形止水压板加固工装的设计，经安装使用验证螺栓受力满足设计要求，同时设计1套C形止水检修平台，满足快速检修更换需求，解决了实际工程问题。     

三峡升船机下闸首工作门止水性能优化

针对三峡升船机下闸首工作门充压止水破损漏气导致封水效果不佳的问题,采用有限元分析软件ABAQUS建立充压止水有限元模型,分析在增加充压止水翼头高度时不同止水橡胶材料对充压止水封头自由外伸量、背腔密闭性、封头水密性、封头偏移量、止水摩阻力的影响。结果表明,充压止水封头的接触应力、正应力和最大偏移量均随着橡胶材料的硬度降低而减小;挡水水头越低,材料硬度的敏感程度越高;接触应力和正压力均随着翼头高度的增加而增大。最后提出通过优化充压止水橡胶材料的方法来改善充压止水封水效果和服役寿命。     

撞击船艏刚度对船体结构碰撞性能影响

  目的  基于非线性有限元方法的船体结构碰撞数值仿真分析,其计算精度受到材料本构关系与失效定义、接触定义和单元网格尺寸等仿真控制参数的影响,且相关参数定义还需经过模型试验校准。为了充分模拟实船舷侧板架结构受到碰撞冲击时主要吸能构件的响应特点,使数值仿真模型试验校准充分有效,  方法  采用接近实船的结构构件尺寸和高强度低合金钢材料设计制造模型结构,开展舷侧板架结构落锤冲击试验。通过试验记录,分析在碰撞冲击载荷作用下结构损伤变形的机理和模式。在此基础上,对碰撞冲击后的舷侧板架结构损伤变形进行数值仿真分析,并对有限元仿真结果与模型试验结果进行对比。  结果  结果表明：数值仿真得到的板架结构损伤变形模式与模型试验结果较为一致,较好地模拟了外板的撕裂破坏、膜拉伸变形和骨材断裂以及失稳;冲击加速度曲线也与试验有较好的一致性。  结论  研究结果可为水面舰船结构碰撞仿真及解析计算方法提供验证依据。     

“厂”形板式防波堤消波性能数值模拟

根据水平板形防波堤和倾斜板形防波堤的特点,提出一种“厂”形组合板式防波堤,通过数值模拟方法对防波堤的消波性能进行研究。首先,利用FLUENT软件建立二维规则波数值波浪水槽,并验证水槽应用的有效性。通过模拟得到堤后波高-时间过程线,分析防波堤的透射系数,探讨透射系数随波高、周期、开孔率、相对板宽、波陡、倾斜板与水平板角度、超高等参数的变化关系。结果表明,在模拟范围内防波堤透射系数较小,消波性能优良,特别是对长周期波也有较好的消波效果。研究成果可以为新型防波堤设计提供参考。     

三维移动式钢板高频感应加热成形电磁-热-力全耦合有限元建模研究

文章基于ANSYS-APDL语言,建立了三维移动式钢板高频感应加热成形电磁—热—力多物理场耦合有限元模型,并使用线圈单元选取法实现了感应线圈热源模型的移动。文中采用此模型研究了Q345钢板在不同加热功率下的变形情况,得到如下结论：钢板加热时受热不均匀,加热区上下表面温差很大最后阶段出现端部效应;随着加热功率的增大,钢板表面瞬时最高温度也增大;加热过程中钢板最大压应力出现在上表面加热区前端,最大拉应力出现在钢板上表面加热区的前方;冷却后钢板最大压应力出现在加热线末端,最大拉应力出现在加热线中段区域;开始时加热区上翘,已加热区冷却下凹,当热源接近末端时,已加热变形区上翘,钢板经过冷却后,整体下凹;随着加热功率的增大,加热区域Y方向变形 Uy越大,钢板弯曲角度线性增大,曲率半径先减小后趋于定值;改进后模型的模拟结果与相同实验参数下的实验结果基本吻合,与传统模拟方法相比更接近实验结果。     

钛合金导流罩结构抗冲击计算

导流罩结构作为舰艇结构重要的首部结构形式,其在水下爆炸载荷作用下的抗冲击性能不容忽视。为研究导流罩结构的抗冲击性能,以某船钛合金导流罩结构为研究对象,应用大型有限元计算软件ABAQUS,建立有限元模型,采用声固耦合法进行水下爆炸数值仿真计算。通过模拟导流罩结构在船上的安装边界条件,设定水下非接触爆炸冲击工况,计算得到了导流罩结构在爆炸冲击载荷作用下的等效塑性应变、位移、加速度等动态响应,并给出了基阵安装位置的频率特性和冲击环境。研究表明,导流罩底部外板为导流罩结构的危险区域,导流罩基阵安装位置处的响应以中低频段为主。     

Numerical simulation of level ice impact on landing craft bow considering the transverse isotropy of Baltic Sea ice based on XFEM

Ice bending is a major failure mechanism of level ice when ships and marine structures interact with level ice. This paper aims to investigate the ice bending and ice load when level ice collides on ships and marine structures using numerical simulation method, and compare the numerical results with field test. The fracture of ice is simulated with extended finite element method (XFEM), and cohesive zone concept is used to describe the crack propagation. In order to consider the characteristics of S2 columnar ice, a transversely isotropic elastic material model is used for the ice bulk elements, and a transversely isotropic Tsai-Wu failure criterion is adopted to predict the initiation of cracks. A well-controlled field test of a landing craft bow colliding with level ice in Baltic Sea is simulated to verify the numerical scheme. The ice plate's continuous deformation, crack initiation and crack propagation at different impact velocities and angles are simulated and the results are discussed. In the simulation, the bending crack emerges at the midline of the top surface of ice plate, then propagates towards free boundary, and finally a circumferential crack forms. It is found that with the impact velocity increases, the bending load increases and the fracture size (perpendicular distance from the crack to the contact edge) decreases. And as the angle between the landing craft bow and vertical direction increases, the bending load and the fracture size decrease. The simulated results corresponds well with the field test. The competition between the circumferential crack and radial crack is also found in the simulation and will be discussed in this paper. The results show that this method well simulates the bending of level ice and predict the ice load, and provides a good approach for investigating the mechanism of different forms of level ice fracture.     

沉管隧道垄沟碎石基床工程特性试验研究

通过室内大型载荷模型试验研究沉管隧道带垄沟碎石基床的力学特性。试验碎石基床的加载方法包括满铺碎石、压拢顶、压垄沟3种,模型宽1. 2 m,高0. 8 m,长2. 0 m。试验过程中测量竖向荷载、表面沉降和位移、垄沟空间变化、混凝土加载梁的钢筋应力发展以及试验槽侧移。结果表明:直至750 kPa的荷载压力下,3种碎石基床试验中沉降和荷载呈线性变化,说明碎石基床处于压密的弹性阶段;加载过程中,垄沟空间随荷载增加呈线性减小,并被逐渐压平;带垄沟碎石基床与满铺碎石基床的荷载沉降曲线基本一致,最终沉降基本一致,可以认为垄沟对基床力学性质无显著影响,但在工程中应计入由于垄沟存在导致接触面积差异,试验还发现带垄沟碎石基床的混凝土加载梁钢筋应力较满铺碎石基层情况下增加20%～30%;建立了带垄沟碎石基床数值模拟方法,模拟结果表明:满铺、压垄沟碎石基床的荷载沉降曲线基本一致,也证明2种基床的变形和承载力一致。     

无网格法研究进展及其应用

  目的  针对有限元法处理弹体侵彻船用钢板时因网格畸变而无法准确模拟破口破坏形态及其形成的动态过程的问题,  方法  采用基于物质点法（Material Point Method,MPM）构建弹体侵彻舰船板壳结构的数值仿真模型,模拟弹体在侵彻过程中的破甲特性。将在不同初速度下侵彻5和10 mm厚靶板后的破口及塑性变形模拟结果与实验结果进行对比,以验证所提方法的有效性。  结果  结果表明：物质点法的模拟结果与实验结果吻合较好;弹体侵彻靶板的破口以及塑性变形区基本保持不变,且破口略大于弹体直径;弹体对靶板的破坏属于冲塞形式的穿甲破坏;半球形弹体以低、中、高的速度侵彻舰船外壳的靶板破坏形式属于冲塞破坏模式,速度大小对靶板的破口影响不大,而对靶板破口处隆起的高度影响较大。  结论  所提数值方法可为研究导弹侵彻舰船板壳提供新的有效途径,计算结果可为舰船结构的防护设计提供参考依据。     

Ice impact response and energy dissipation characteristics of PVC foam core sandwich plates: Experimental and numerical study

In this paper, the dynamic responses and energy dissipation characteristics of polyvinyl chloride (PVC) foam core sandwich plates under ice impact are investigated. The ice impact tests of PVC foam core sandwich plates were conducted by employing the horizontal impact experimental apparatus. The finite element simulations were conducted to analyze the dynamic response of PVC foam core sandwich plates based on soil and concrete material model for ice impactor. It was demonstrated that numerical results were in good agreement with experimental results. The deformation modes of the top facesheets were coupling of local indentation with global bending deformation, while the deformation modes of bottom facesheets were overall bending deformation. The permanent deformation of face sheets show that the impact resistance of sandwich plate is better than that of equivalent weight hull plate (EWHP). In addition, based on the actual navigation environment of ship, the effect of impact angle and ice floe shape on dynamic response and energy dissipation are analyzed.     

石墨烯增强铜基复合材料的研究现状

  目的  旨在研究新型轻质复合装甲板——石墨烯增强铝基SiC复合材料装甲靶板的抗侵彻失效机理。  方法  利用光镜与扫描电镜对石墨烯增强铝基SiC复合材料进行微观形貌观察;结合弹道枪试验,利用AUTODYN有限元软件建立1/2模型,破片质量为30 g,靶板厚度为43 mm,采用不同的本构模型描述材料,进行数值模拟仿真计算。  结果  结合弹道枪试验及仿真计算,得到石墨烯增强铝基SiC复合材料复合靶板抗侵彻的过程为：破片侵彻靶板时,靶板表层铝合金受破片挤压形成环形卷曲破口,破片继续向后挤压过程中,靶板不断侵蚀破片头部;且破片不断向后冲击剩余靶板形成变形锥,破片速度足够大时,贯穿靶板形成花瓣型破口。  结论  结合微观形貌观察及弹道枪试验,仿真计算结果显示：Johnson-Cook,Cowper-Symonds及Johnson-Holmquist 3种本构模型中,Johnson-Holmquist本构模型更适合描述石墨烯增强铝基SiC复合材料的抗侵彻机理。