Vibration characteristics analysis of ring-stiffened conical shells based on power series method北大核心CSCD

[目的]旨在利用解析法求解环肋圆锥壳的振动方程,对环肋圆锥壳的振动特性进行理论研究。[方法]首先,对圆锥壳分段处理,将圆锥壳沿母线方向、环向和法向的位移分别写成幂级数解的形式,并推导出幂级数项前系数的递推关系式;然后,采用梁模型模拟不同环肋数对圆锥壳振动响应特性的影响;接着,将圆锥壳分段及其环肋边界条件、位移和内力矩阵进行组装求解,得到在外部简谐力激励下圆锥壳的振动响应特性,并将所得结果与ANSYS有限元数值方法的计算结果进行对比,验证所提计算方法的有效性。最后,运用所提理论方法进行环肋圆锥壳的振动特性分析。[结果]结果显示,圆锥壳安装的环肋可明显抑制圆锥壳的振动,具体表现为响应幅值降低、固有频率升高,且在相同频段内共振峰数量减小;增大壳体厚度会引起壳体振动响应幅值降低以及固有频率升高;此外,增大半锥角、轴线长度和环肋数均可降低环肋圆锥壳的振动响应幅值。[结论]研究表明,所用方法对环肋圆锥壳振动的理论研究具有一定意义。     

考虑肋骨支承影响的环肋圆锥壳理论临界压力的有限元分析

采用右节点带肋的截顶正圆锥元,用有限元分析法求解考虑肋骨支承影响的截顶环肋圆锥壳在均匀外压下的理论临界压力;计算结果表明:肋骨支承对环肋圆锥壳体的失稳临界压力有较大影响;有限元分析法比目前常用的解析法更合理,计算结果也更准确.     

考虑肋骨支承影响的环肋圆锥壳理论临界压力的有限元分析

采用右节点带肋的截顶正圆锥元,用有限元分析法求解考虑肋骨支承影响的载顶环肋圆锥壳在均匀外压下的理论临界压力;计算结果表明：肋骨支承对环肋圆锥壳体的失稳临界压力有较大影响;有限元分析法比目前常的解析法更合理,计算结果也更准确。     

圆柱壳仅受轴向均匀外压的总稳定性分析

环肋圆柱壳存在异常特性。在异常特性区间内,其总失稳临界压力取决于仅受轴向均匀外压环肋圆柱壳的失稳临界压力。通过理论计算,揭示了环肋圆柱壳仅受轴向均于外压的失稳性质与光圆柱壳几乎一致。纵横加筋圆柱壳仅受轴向均匀外压下的失稳临界压力随肋骨尺寸或纵骨尺寸的增加而增大,随舱室长度的减小呈现先增大后减小再增大的反复递增规律。提高环肋圆柱壳在异常特性区间的失稳临界压力的有效方法是增设纵骨。     

外壳板采用纵骨加强的双层加肋圆柱壳水下声辐射分析

建立了外壳板加纵骨的双层加肋圆柱壳水下声辐射计算方法，计算模型采用Donnell壳体理论，考虑了环肋、舱壁和实肋板对内外圆柱壳的径向、切向、纵向反作用力以及纵向反弯矩，利用傅氏变换和模态展开在波数域建立了计算模型的声弹耦合控制方程。推导了所有结构部件以及水介质的速度阻抗表达式，采用数值计算方法在波数域求解出径向振动速度，利用稳相法得到远场辐射声压。研究表明，如果纵骨沿圆周均匀排列，则纵骨的存在不导致圆柱壳周向模态耦合，纵骨加强的双层圆柱壳水下声辐射计算可以大大筒化。采用文中方法研究了环频率以下外壳板加纵骨的双层加肋圆柱壳水下声辐射特性，计算表时：在较低的频率段，外壳板采用纵骨加强使双层加肋圆柱壳水下辐射声压增大；增大纵骨刚废，结构辐射声压也相应增大；纵骨间距对双层加肋圆柱壳水下声辐射影响比较复杂，辐射声压谱随纵骨间距变化较大，而总声级变化不明显。     

肋距对环肋圆柱壳壳板稳定性的影响

为研究环肋圆柱壳壳板稳定性的有关性质,对其失稳临界压力进行曲线绘制。在潜艇耐压船体相关参数范围内,环肋圆柱壳壳板失稳时,纵向失稳半波数 m= 1,周向失稳整波数 n ＞10。壳板失稳临界压力随肋距的缩小而增大,当仅受轴向外压力时,壳板失稳临界压力不随肋距的变化而改变。根据潜艇耐压船体相关参数范围,计算环肋圆柱壳总体失稳临界压力和壳板失稳临界压力的取值范围。在设计中,应使总体失稳临界压力等于或略大于壳板失稳临界压力。     

肋距对环肋圆柱壳壳板稳定性的影响

为研究环肋圆柱壳壳板稳定性的有关性质,对其失稳临界压力进行曲线绘制。在潜艇耐压船体相关参数范围内,环肋圆柱壳壳板失稳时,纵向失稳半波数m=1,周向失稳整波数n〉10。壳板失稳临界压力随肋距的缩小而增大,当仅受轴向外压力时,壳板失稳临界压力不随肋距的变化而改变。根据潜艇耐压船体相关参数范围,计算环肋圆柱壳总体失稳临界压力和壳板失稳临界压力的取值范围。在设计中,应使总体失稳临界压力等于或略大于壳板失稳临界压力。     

Ansys中圆柱壳环肋建模方法对振动特性计算影响分析

本文研究Ansys中2种环肋建模方法对圆柱壳振动特性影响。其中环肋采用梁模型(Beam188单元)和壳体模型(Shell181单元)模拟,计算并对比不同边界条件、不同偏心距及不同环肋尺寸时2种环肋建模方法得到的加筋圆柱壳固有频率和模态振型。结果表明:采用Beam188单元和Shell181单元模拟环肋对计算圆柱壳固有频率存在影响、且环肋尺寸越大二者差异越显著,但对模态振型几乎无影响;增加环肋尺寸对圆柱壳模态振型影响显著。     

静水压力下功能梯度圆柱壳稳定性研究

文章研究了静水压力下功能梯度圆柱壳的稳定性特性.该文在Flügge理论的基础上,通过变换轴向波数,先后采用波动法和牛顿迭代法得到不同边界条件下FG圆柱壳的固有频率值.最后利用线性拟合方法得到水下FG圆柱壳的临界压力.在经过与各向同性圆柱壳的分析结果进行对比,验证了文中研究的有效性和正确性的基础上,讨论了水下FG圆柱壳的临界压力.通过算例,分析了材料组分、体积分数、边界条件、壳体尺寸等因素对水下FG圆柱壳临界压力的影响.     

纵骨对环肋圆柱壳肋间壳板稳定性的影响

肋间壳板失稳是潜艇耐压壳体失稳的重要形式之一,加设纵骨是提高环肋圆柱壳肋间壳板稳定性的有效方法。通过理论计算,得出以下结论:加设纵骨可以提高环肋圆柱壳肋间壳板稳定性,且α值越大,效果越明显;加设纵骨后的环肋圆柱壳在肋间壳板失稳时,纵向失稳半波数等于1,周向失稳波数大于10,且纵骨尺寸越大,周向失稳波数越大;失稳临界压力随肋距的减小而增大,随纵骨尺寸的增加而增大。     

纵骨对环肋圆柱壳肋间壳板稳定性的影响

肋间壳板失稳是潜艇耐压壳体失稳的重要形式之一,加设纵骨是提高环肋圆柱壳肋间壳板稳定性的有效方法.通过理论计算,得出以下结论:加设纵骨可以提高环肋圆柱壳肋间壳板稳定性,且α值越大,效果越明显;加设纵骨后的环肋圆柱壳在肋间壳板失稳时,纵向失稳半波数等于l,周向失稳波数大于10,且纵骨尺寸越大,周向失稳波数越大;失稳临界压力随肋距的减小而增大,随纵骨尺寸的增加而增大.     

简支截顶圆锥壳固有振动特性分析及仿真验证

采用Donnell运动方程和幂级数法,计算两端简支的截顶圆锥壳各阶周向模态下的前2阶固有频率,通过数值计算和有限元仿真对比,研究幂级数法计算圆锥壳固有频率的收敛性和准确性。此外,分析了壳体参数对前2阶固有频率的影响。     

简支截顶圆锥壳固有振动特性分析及仿真验证

采用 Donnell运动方程和幂级数法,计算两端简支的截顶圆锥壳各阶周向模态下的前2阶固有频率,通过数值计算和有限元仿真对比,研究幂级数法计算圆锥壳固有频率的收敛性和准确性。此外,分析了壳体参数对前2阶固有频率的影响。     

环肋圆柱壳在水下爆炸冲击下的响应

针对水下非接触爆炸问题过程复杂、计算速度慢的问题,本文以一环肋圆柱壳为例,基于以内嵌的水下爆炸载荷计算方法和声-结构耦合方法为关键技术的水下爆炸分析法(AUA),对其水下爆炸冲击下的响应进行了分析。结果发现,壳板厚度对圆柱壳的水下非接触爆炸响应有较为显著的影响,随着壳板厚度的增加,环肋圆柱壳最大位移减小的幅度逐渐变小。在爆炸初期爆距对环肋圆柱壳冲击响应的影响不大,随时间的推移这种影响逐渐增大,环肋圆柱壳各测点变形随爆距的增大线性减小;当肋骨间距大于0.25倍环肋圆柱壳长时,环肋圆柱壳最大变形量可减小90%;继续减小肋骨间距,环肋圆柱壳最大变形减少量并不明显,说明肋骨对其附近测点和中间的板壳起到了显著的加强作用,肋骨间距为0.25倍环肋圆柱壳长时为最经济的肋骨布置方式。     

环肋圆柱壳在水下爆炸冲击下的响应

针对水下非接触爆炸问题过程复杂、计算速度慢的问题,本文以一环肋圆柱壳为例,基于以内嵌的水下爆炸载荷计算方法和声-结构耦合方法为关键技术的水下爆炸分析法(AUA),对其水下爆炸冲击下的响应进行了分析。结果发现,壳板厚度对圆柱壳的水下非接触爆炸响应有较为显著的影响,随着壳板厚度的增加,环肋圆柱壳最大位移减小的幅度逐渐变小。在爆炸初期爆距对环肋圆柱壳冲击响应的影响不大,随时间的推移这种影响逐渐增大,环肋圆柱壳各测点变形随爆距的增大线性减小;当肋骨间距大于0.25倍环肋圆柱壳长时,环肋圆柱壳最大变形量可减小90%;继续减小肋骨间距,环肋圆柱壳最大变形减少量并不明显,说明肋骨对其附近测点和中间的板壳起到了显著的加强作用,肋骨间距为0.25倍环肋圆柱壳长时为最经济的肋骨布置方式。     

纵横加肋圆柱壳稳定特性

在一定条件下,环肋圆柱壳稳定性存在异常特性区间,即减小舱长或增大横向肋骨尺寸,环肋圆柱壳总稳定性理论临界压力不变。在这两类异常特性区间内,可以通过加设纵骨的方式来提高圆柱壳结构的总稳定理论临界压力。当相对厚度减小时,纵骨在提高总稳定临界压力方面的作用更加明显。纵横加肋圆柱壳横向刚度不足时,其稳定性也存在异常特性区间,即增大纵骨尺寸,总稳定理论临界压力保持不变。     

水下环肋功能梯度材料圆柱壳耦合振动的波动解

研究了考虑功能梯度材料的水下环肋圆柱壳耦合振动特性。根据Flügge理论和正交各向异性板壳理论,采用波动法推导出静水压力下环肋FGM圆柱壳耦合振动特征方程,运用牛顿迭代法得到静水压力下环肋FGM圆柱壳的耦合频率值。经过退化计算,与已有文献的研究结果进行对比,验证了文中计算的正确性和有效性。通过算例,分析了静水压力下环肋FGM圆柱壳在不同静水压力、材料组分、体积分数、壳体尺寸、肋条尺寸和数目等情况下耦合振动的变化规律,以及这些因素对耦合频率的影响。     

水中环肋锥柱结合壳的振动特性分析

基于半解析半数值法研究了水中环肋锥柱结合壳在低频范围内的结构振动特性。将环肋锥柱结合壳离散为锥壳分段、柱壳分段、圆环板和舱壁等不同子结构。用波传播法和幂级数法分别求解圆柱壳和圆锥壳的运动方程。通过相邻子结构之间的连续条件以及壳体两端的边界条件求解锥柱结合壳的振动响应。在锥壳或柱壳上施加点力激励,分析锥柱结合壳的频响特性。用有限元方法验证本文的计算结果,两者吻合良好。还研究了舱壁、环肋和流体负载对环肋锥柱结合壳振动特性的影响。     

预应力和流固耦合效应对水下壳结构振动特性影响研究

对于水下结构,流体对结构模态频率的影响主要体现在预应力效应与流固耦合效应两方面。为研究水下壳结构固有频率对这2种效应的敏感度,本文首先计算某水下壳体在空气中的模态,然后研究壳结构在不同水深工作产生的静水压对其固有频率的影响,最后使用声固耦合的方法计算了流固耦合效应下的壳体湿模态。计算结果表明:流固耦合效应占主导因素,但随着壳体工作水深(预应力)的增大,预应力效应对水下壳体频率的影响也逐渐显著。因而,在开展水下结构动力学设计时,不仅要重点考虑流固耦合效应对结构固有频率的影响,还应关注结构实际工作环境下的应力状态,分析其对结构固有频率的影响。     

预应力和流固耦合效应对水下壳结构振动特性影响研究

对于水下结构,流体对结构模态频率的影响主要体现在预应力效应与流固耦合效应两方面.为研究水下壳结构固有频率对这2种效应的敏感度,本文首先计算某水下壳体在空气中的模态,然后研究壳结构在不同水深工作产生的静水压对其固有频率的影响,最后使用声固耦合的方法计算了流固耦合效应下的壳体湿模态.计算结果表明:流固耦合效应占主导因素,但随着壳体工作水深(预应力)的增大,预应力效应对水下壳体频率的影响也逐渐显著.因而,在开展水下结构动力学设计时,不仅要重点考虑流固耦合效应对结构固有频率的影响,还应关注结构实际工作环境下的应力状态,分析其对结构固有频率的影响.