冲击载荷下含表面裂纹潜艇典型结构的动态断裂研究

文章基于大型通用有限元分析软件ANSYS研究了带有初始表面裂纹的潜艇典型结构在不同下潜深度、不同爆心到船壳距离R和不同作用方位冲击载荷作用下的动态应力强度因子及其最大值与冲击因子的变化规律,然后以921A钢为例对多种工况下结构是否发生失稳断裂作出初步判断。     

反复碰撞载荷下船体结构弹塑性动态响应研究进展

极地船舶与海洋工程结构在营运过程中会遭受到浮冰多次冲击、直升机重复着降以及供应船停靠等反复碰撞载荷,在这些反复碰撞载荷作用下船体结构会产生累积的塑性变形,这将会严重危害冰区船舶与海洋工程结构的使用性能和安全性能.本文主要从试验方法、数值方法和理论方法三个方面对反复碰撞载荷下船体结构塑性动态响应研究进展进行综述,对船体结构在反复碰撞载荷下的力学机理进行总结,对反复碰撞载荷下船体结构的伪安定现象是否发生进行了讨论.此外,本文针对一些反复碰撞问题的实际工程背景,总结了一些设计公式以及设计图谱,从而给极地船舶与海洋工程结构设计提供参考.     

爆炸载荷下矩形板弹塑性动态响应研究

舰船结构在受到高强度爆炸载荷作用时的破坏形式主要是板架的塑性大变形和撕裂。对四边约束矩形板在爆炸冲击波载荷下的塑性大变形响应进行了理论分析和试验研究。基于板的大挠度变形理论和能量守恒原理,建立了矩形板在爆炸载荷作用下发生塑性大变形的弹塑性分析方法。将理论计算与试验及数值计算进行对比,表明弹塑性分析方法有较好的计算精度和适用性。可用于计算舰船局部结构对舱内爆炸冲击波的响应,为舰船的抗爆设计提供理论依据。     

面内流固冲击载荷下加筋板的动力响应

船舶在恶劣的海况下航行时,船舶结构遭到剧烈的波浪砰击作用,这种冲击载荷可能使船体结构发生屈曲而造成舰船结构总体承载能力的丧失,导致灾难性的后果。加筋板结构作为船舶结构的基本结构之一,研究其动力特性显得尤为重要。基于离散加筋板模型,对具有弹性约束边界的初缺陷矩形加筋板在面内流固冲击载荷下的动力响应问题进行了理论研究。取样条函数作为挠度试函数,运用加权残值法求得初缺陷加筋板动力响应的控制方程,采用四阶Runge—Kutta法求解该方程,并用Fortran语言编制了相应的计算程序。构造的B样条函数能适应板侧边上的任意弹性转动约束,讨论了初始几何缺陷、冲击载荷持续时间、加强筋及弹性约束的影响。结果表明,它们是影响加筋板动力特性的重要因素。适当增加弹性约束,减小初始几何缺陷及冲击载荷持续时间有利于提高加筋板的承载能力。     

变冲击面载荷作用下船舶板架结构强冲击响应研究

为了更好应对复杂的航行条件,对变冲击面载荷作用下船舶板架结构强冲击响应情况进行深入调查和研究,基于变冲击面三维波动函数算法对冲击流场强度和弹性影响参数进行计算,针对计算结果模拟出抗冲击船舶板架结构,分别对板架结构中的平板和加筋板的抗冲击响应效果进行优化。最后通过实验检测表明,结合变冲击面三维波动函数算法对船舶板架结构进行分析和优化可有效提高船舶板架的抗冲击性,保障船舶航行安全。     

含裂纹加筋板在压缩载荷下的剩余极限强度试验研究

在老龄化引起的船舶结构安全性问题中,裂纹损伤是结构强度衰减的一个重要因素。文章采用逐步加载法对含裂纹损伤的加筋板压缩剩余极限强度进行试验研究。设计六种典型的穿透裂纹损伤加筋板,对损伤试件进行轴向压缩试验。通过改变裂纹尺寸、位置及倾角参数并根据试验观测结果,探讨了不同裂纹参数下加筋板的屈曲破坏特点和对剩余极限强度影响。试验结果表明,不同的裂纹长度以及裂纹位置改变加筋板结构承载力的分布,影响结构应力应变场,进而改变其失效崩溃模式;倾角为45°的裂纹相对于垂直于加筋的裂纹对加筋板结构的剩余极限强度影响较小,此外初始缺陷对结构的剩余极限强度的影响也不容忽视。     

冰冲击载荷下螺旋桨轴系动态响应的变参数分析

螺旋桨和不同物理参数的海冰接触碰撞产生的冰载荷会对螺旋桨和推进轴系产生不同的影响,研究其对轴系的影响及轴系的响应规律可为推进轴系的设计和布置提供建议。该文基于流固耦合方法,利用ANSYS/LS-DYNA软件计算不同物理参数的海冰和螺旋桨接触碰撞时螺旋桨受到的冰载荷并分析其冰载荷的变化规律,把获取的冰载荷输入到ABQUAS,计算了对应的冰载荷下的船舶推进轴系的应力、应变值,分析了推进轴系的应力、应变值,得到推进轴系的响应规律;得出推进轴系的动态响应受冰载荷的影响较大,随着海冰径向距离的减小而增大,随海冰尺寸和速度的增大而增大,故对冰区船舶的推进装置而言,其强度有着更高的要求。     

船用泡沫铝夹层板在低温下的冲击动态响应研究

泡沫铝夹层板具有良好的动态能量吸收性能,在极地船舶抗冲击防护方面具有巨大的潜在应用前景。文章利用ABAQUS有限元软件,结合准静态拉伸压缩材料试验,建立了船用泡沫铝夹层板的低温动态冲击数值仿真模型,研究了其动态冲击响应与抗冲击性能,并采用Instran 9350落锤冲击试验机对数值仿真模型进行了试验验证。在此基础上,研究了低温和冲击能量对船用泡沫铝夹层板动态冲击响应的影响。结果表明,随着冲击能量的增加,常温和低温条件下船用夹层板的冲击力峰值、最大挠度和最终挠度遵从乘幂增长规律。与常温相比,低温下船用泡沫铝夹层板的面板变形较小,且随着冲击能量的增加,低温的影响更为显著,即船用泡沫铝夹层板在低温下具有更好的抗冲击性能。     

舱内爆炸载荷作用下加筋板动态响应试验研究

相对于敞开环境来说,发生在封闭舱室内的爆炸将对舰船结构造成更加严重的毁伤。论文对四边夹持约束的方形加筋板在舱内爆炸载荷作用下的动态响应进行了试验研究,分析加筋板结构的塑性大变形特征和舱室封闭程度对爆炸载荷作用效果的影响。试验结果表明:加筋板在舱内爆炸载荷作用下主要是发生整体塑性变形,中心变形挠度远远大于板厚值,中面膜力在板变形过程中起主要作用。与敞开环境爆炸载荷作用效果相比,舱内爆炸载荷作用在加筋板上的"等效损伤冲量"提高了6~8倍。结构变形主要取决于舱室壁面的反射冲击波和舱内准静态压力载荷。舱壁开孔降低了舱室壁面的封闭限制效果,导致舱内准静态压力载荷衰减速度加大,从而降低了爆炸载荷对结构的破坏能力。     

低速碰撞载荷下钢制波纹夹层板动态响应研究

基于有限元软件Ansys/LS-DYNA,对钢制梯形波纹夹层板在低速碰撞载荷作用下的动态响应进行数值仿真研究,分析碰撞能量、冲头直径大小、碰撞位置和冲头撞击方向对夹层板动响应特性的影响。结果表明,随着碰撞能量从100 J增加到400 J,面板变形呈现出线性增加的趋势,碰撞能量达到一定水平后,结构出现损伤破坏,并且发现这种损伤的发生存在相对恒定的临界值,上面板吸能占比减小了30.5%,芯层和下面板吸能占比依次增加了12.4%,18.1%。冲头直径过小会带来明显的载荷局部效应,碰撞位置位于芯层胞元跨中时芯层无法对冲头进行直接支撑,这都会引起上面板的撕裂破坏,甚至被冲头贯穿。随着冲头撞击角度增加,上面板的撕裂破口逐渐由横向变为纵向,夹层板整体的能量吸收速率逐渐变大。在给定的载荷状况下,冲头30°撞击时,夹层板的耐撞性能较优;冲头90°撞击时,夹层板的耐撞性能较差。     

拉伸载荷下加筋板裂纹扩展研究

采用预制缺口的加筋板结构试样,对921A钢加筋板结构进行拉伸疲劳载荷作用下的低周疲劳试验,采用奇异单元法计算相应试件的裂纹尖端应力强度因子,利用Paris准则得出裂纹扩展速率与应力强度因子的关系式,得到拉伸疲劳载荷作用下舰体加筋板结构破口裂纹扩展模型,用于分析和预报破损舰船结构在波浪中航行时的裂纹扩展情况和剩余疲劳寿命预报,算例验证了本试验计算方法的合理性。     

基于J积分的含裂纹加筋板在单轴拉伸载荷下的极限强度计算

为研究含裂纹加筋板的极限拉伸强度,本文建立一系列不同长细比、不同裂纹长度、不同裂纹位置的含裂纹加筋板有限元模型,并基于J积分理论对其在单轴拉伸载荷下的极限强度进行了计算。结果发现含裂纹加筋板极限拉伸强度随加筋板长细比的增大略有减小,但减小的程度并不明显;含裂纹加筋板极限拉伸强度随裂纹长度的增大而减小,且减小的幅度逐渐增大;加强筋上的裂纹对含裂纹加筋板极限强度的影响小于底板上的裂纹,而裂纹同时出现在底板和加强筋上时对含裂纹加筋板极限拉伸强度的影响最大。表明含贯穿型裂纹的加筋板在单轴拉伸载荷下的剩余强度对加筋板长细比不敏感,而对裂纹长度较为敏感。     

基于J积分的含裂纹加筋板在单轴拉伸载荷下的极限强度计算

为研究含裂纹加筋板的极限拉伸强度,本文建立一系列不同长细比、不同裂纹长度、不同裂纹位置的含裂纹加筋板有限元模型,并基于J积分理论对其在单轴拉伸载荷下的极限强度进行了计算。结果发现含裂纹加筋板极限拉伸强度随加筋板长细比的增大略有减小,但减小的程度并不明显;含裂纹加筋板极限拉伸强度随裂纹长度的增大而减小,且减小的幅度逐渐增大;加强筋上的裂纹对含裂纹加筋板极限强度的影响小于底板上的裂纹,而裂纹同时出现在底板和加强筋上时对含裂纹加筋板极限拉伸强度的影响最大。表明含贯穿型裂纹的加筋板在单轴拉伸载荷下的剩余强度对加筋板长细比不敏感,而对裂纹长度较为敏感。     

冲击载荷下加筋板非线性瞬态分析

本文用半解析的方法分析了横向冲击载荷下加筋板的非线性瞬态响应。考虑膜力的存在，忽略筋截面上的剪切应力，引入板的应力函数，采用离散加筋板模型，运用能量原理建立加筋板的动响应控制方程。假设挠度为双级数形式，运用迦辽金法，将加筋板的动响应方程转化为一个多自由度的动力系统，采用数值方法来求解。本文最后给出了几个模型的计算结果。     

圆柱壳在径向冲击载荷作用下的动力响应

利用Hamilton原理得出轴向压力和径向冲击载荷作用下圆柱壳位移的运动微分方程,推导方程的解析解。通过数值计算,分析圆柱壳的位移随时间变化曲线,位移的幅频曲线以及应变随时间变化曲线和幅频曲线。数值计算结果表明,圆柱壳的径向和轴向位移要远大于周向位移;简谐激励频率为285 Hz,1 060 Hz,1 152 Hz,2 444 Hz,2 640 Hz,2 763 Hz,4 074 Hz时,径向位移幅值取值最大;简谐激励频率为285 Hz时轴向位移幅值取值最大;简谐激励频率为4 074 Hz时轴向应变幅值取得最大值;简谐激励频率为5 586 Hz,5 762 Hz,6 285 Hz时,周向应变幅值取值最大。     

轴向循环载荷下裂纹板和加筋板极限强度

为保障船体总纵强度的安全性,对裂纹板和加筋板在轴向循环载荷下的极限承载性能进行研究。采用系列光板和筋-板组合试件模拟船体板和加筋板构件,并在板上预制初始裂纹,对其在轴向循环载荷下的极限承载力进行试验研究。最后对试件的极限承载力进行数值分析,将所得结果与试验结果进行对比,并将由循环载荷引起的塑性累积和疲劳裂纹扩展均考虑在内。通过数值分析和试验研究得到板上裂纹长度、筋上裂纹长度、疲劳损伤因子、裂纹张开位移和挠度,分析发现这些参数（尤其是裂纹长度）对轴向循环载荷下裂纹板和加筋板的极限强度有一定影响。     

循环载荷下考虑累积塑性影响的含中心穿透裂纹板CTOD研究

裂纹尖端张开位移(CTOD)是评估结构材料韧性以及分析低周疲劳破坏引起的裂纹扩展的重要参量。结合Dugdale模型,以裂纹尖端累积塑性应变为控制参量,提出了一个循环载荷下含裂纹船体板的CTOD计算模型;利用有限元法模拟了裂纹尖端累积塑性应变、平均应力、裂纹长度等相关因素影响;结合最小二乘法拟合出了基于累积塑性塑性应变、平均应力比以及裂纹长度的两阶多项式。研究表明,基于累积塑性应变的CTOD计算模型为正确评估循环载荷下船体板的累积塑性破坏提供了一种新途径。     

半圆形初始裂纹在交变拉伸载荷下的裂尖应力场数值模拟

[目的]为研究板结构中初始裂纹深度沿板厚方向分布不均匀的问题,[方法]基于三维虚拟裂纹闭合技术(VCCT),以半圆形初始裂纹为例,对其在交变拉伸载荷作用下的裂尖应力场进行数值模拟。[结果]结果表明:对于裂纹水平面的应力场,在发生塑性变形的区域,计算点的von Mises等效应力随着距裂尖距离的增大而减小,两者之间呈线性或双线性关系;在未发生塑性变形的区域,该应力值基本上是裂尖距离的三次函数。对于裂纹横断面,裂纹总是沿裂纹边缘形状的法向方向扩展,且应力峰值出现在裂纹边缘,裂纹内部应力值随着距裂纹中心的距离呈现高度的非线性分布,而外部应力值则随着距裂纹中心距离的增大而减小。当该距离超过裂纹半径的1.67倍时,应力集中消失;当拉伸载荷为2/3和1/3倍材料屈服应力时,裂纹边缘的应力峰值总是分别等于载荷的1.45倍和2倍。[结论]研究结果可为考虑初始裂纹的板结构的疲劳强度计算提供参考。     

爆炸冲击载荷下加筋板塑性动力响应分析

基于非线性动力学软件Abaqus,对爆炸冲击载荷下的加筋板塑性动力响应行为进行研究,探讨加筋板的结构形式、载荷冲击波波形、材料应变率效应等参数对加筋板塑性动力响应的影响.仿真分析结果表明加筋板结构形式对加筋板抵抗爆炸载荷能力影响较为明显;冲击载荷峰值时间影响加筋板最终塑性变形的大小;应变率效应对加筋板最终塑性变形影响较大.