轴压柱形壳非线性屈曲试验与理论研究

本文研究了轴压不锈钢柱形壳的非线性屈曲行为.通过轴向压缩试验,获得柱壳的载荷位移曲线、失稳载荷、最终失稳模式;在此基础上,采用弧长法对试验壳体进行非线性屈曲计算,分析平衡曲线、临界载荷、临界屈曲和后屈曲模式等非线性屈曲行为,并与试验结果作对比研究.结果表明:在柱形壳受轴压而发生弹塑性屈曲时,端部长度缺陷会在轴压初期降低柱形壳的承载力从而影响临界屈曲载荷,且高度越小时,柱形壳越容易在两端发生形变.但是总体来看,发生塑性屈曲时,端部长度缺陷对临界载荷影响很小.     

多蛋形交接耐压壳屈曲特性试验与数值研究

文章研究了多蛋形交接耐压壳屈曲行为。基于壳体开孔处的变形量与完整壳体一致的设计理念,优选多蛋壳结构参数,制作多蛋壳比例模型,并对其制作误差进行了检测。此外,还进行了静水压力试验,验证真实多蛋壳破坏形式,检验环肋参数的合理性,比较了考虑真实形状和厚度的非线性有限元分析结果。结果表明:基于变形协调理念设计的多蛋壳,最终破坏远离环肋交接处,蛋形壳单元破坏形式及载荷与完整单蛋壳基本相同,试验验证了多蛋壳继承了完整蛋形壳较好的耐压特性;基于弧长法的数值计算与试验结果具有良好一致性,考虑真实形状和厚度的非线性有限元分析可用于分析预测真实壳体的屈曲特性。     

多腐蚀球形耐压壳屈曲特性研究

研究均匀外压下的多腐蚀球形耐压壳的屈曲.将局部腐蚀简化为球壳上的方形等深减薄,分别研究单腐蚀、双腐蚀并立和双腐蚀叠加3种情况下球壳的稳定性,并在此基础上分析双腐蚀叠加的腐蚀面积、深度和腐蚀位置对承载能力的影响规律.结果表明,双腐蚀叠加球壳的屈曲载荷下降了 33.4％,且腐蚀面积和深度对承载能力的影响高于腐蚀位置对承载能...     

加筋圆柱壳与圆锥壳屈曲特性样条元分析

本文用样条元分析加筋圆柱壳体和圆锥壳体在静水压下的屈曲特性,利用样条函数的数学性质导出结构屈曲特性分析的各步长矩阵,将等步长样条元推广为变步长,计算了加筋圆柱壳体和圆锥壳体在小变形和大变形情况下的屈曲值。讨论了纵向尺寸和间距变化对其屈曲压力的影响,并与其它经典算法进行了比较。     

轴压复合材料蛋形壳屈曲特性

在对模态缺陷条件下轴压复合材料柱形壳进行屈曲分析的基础上,结合仿生学原理对柱形壳进行形状优化,运用等质量、等容积两种方法,设计与柱形壳开口直径相同的蛋形壳,研究其多模态屈曲特性。结果表明:相对复合材料柱形壳,蛋形壳具有更好的轴向承载能力与更低的缺陷敏感度。从工程实例出发,以单立柱固定式海洋平台的柱形壳桩腿为背景,采用分段式模块化设计的方法,在5%多模态缺陷条件下,研究一般钢结构柱形壳桩腿、碳纤维复合材料柱形壳桩腿、碳纤维复合材料多蛋交接形桩腿的轴压屈曲特性。结果表明:在相同的承载能力下,复合材料多蛋交接形桩腿具有更小的质量、更低的缺陷敏感度与更好的稳定性。     

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。     

轴压复合材料柱形壳屈曲特性

以单立柱固定式海洋平台的柱形壳桩腿为研究对象,得到复合材料柱形壳较为合理的结构尺寸、铺层方式,提高其轴向承载能力.首先,通过碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced plastics,CFRP)材料单轴拉伸试验得到复合材料柱形壳试验样本的材料属性,用于柱形壳的计算与分析.其次,基于复合材料薄壳理论,得到轴压复合材料柱形壳屈曲临界载荷解析解,对比线弹性屈曲有限元分析,验证了理想柱形壳有限元模型建立的正确性.再次,由复合材料柱形壳缺陷测量试验得到其初始几何缺陷,由轴向压缩试验得到其轴压屈曲特性,对比非线性屈曲有限元分析,验证了缺陷柱形壳有限元模型建立的正确性.最后,结合线弹性屈曲分析结果,引入模态缺陷,从线弹性和非线性屈曲分析两个方面,研究铺层角、铺层数、各层纤维厚度、几何尺寸对复合材料柱形壳轴向承载能力的综合影响规律,得到各模型的屈曲特性与缺陷敏感性.从生产制造与工程实际出发,建立一种系统的CFRP型复合材料柱形壳设计计算流程、失稳分析方法,对于复合材料柱形壳的设计、校核、优化具有指导性作用.     

空间分布系列球壳声场耦合与辐射特性研究

针对大深度载人潜器的多球壳组合结构,以水介质中任意空间分布的系列弹性球壳为研究对象,利用球函数平移加法定理,建立计及球壳间声场相互作用的多球壳系统声振耦合模型,计算分析空间分布系列球壳的声场耦合特性及其影响因素。结果表明：声场相互作用将改变球壳模态间耦合关系,使得单阶模态对球壳振动的贡献不再限于单个峰值,进而影响声辐射频谱特征;双球壳系统受激球壳和非受激球壳都产生声辐射,轴向激励情况下,两球壳间存在强声场耦合效应,激励力偏离轴向时,声场耦合效应逐渐减弱;不同尺度球壳组成的双球壳系统扩展了声场有效耦合的频率范围,辐射声场兼具两个球壳的模态特征;多球壳串列布置时,声场耦合效应具有传递作用,多球壳按不同角度分散布置时,辐射声场空间分布则更趋复杂。     

一阶模态缺陷条件下蛋形耐压壳屈曲特性研究

为研究蛋形耐压壳在不同数值模型下的屈曲特性,首先,建立理想蛋形耐压壳数值模型,研究单元尺寸对其强度与屈曲的影响;在此基础上,引入非线性与一阶模态缺陷,分别研究蛋形耐压壳在这两种情况下的屈曲特性影响规律.结果表明:单元尺寸对蛋形耐压壳的强度影响小,屈曲影响大;非线性与模态缺陷对耐压壳的稳定性影响大,二者对临界屈曲载荷下降的贡献度分别达到56.27%、13.47%,故进行蛋形耐压壳数值分析时应将其列入考虑范围,保证耐压壳安全稳定性.     

加筋板壳结构冲击屈曲研究

本文对近年来加筋板壳结构的冲击屈曲研究进行了回顾，对不同冲击载荷作用下加筋板和加筋圆柱壳的冲击屈曲现象分别做了阐述；讨论了冲击载荷、几何尺寸、初始缺陷以及加筋形式等因素对冲击屈曲的影响；最后指出了需进一步深入研究的问题。     

球柱组合壳耐压船体结构静水压力试验研究

球柱组合壳结构在船舶与海洋工程领域应用广泛,为考察球柱组合壳结构的力学性能,设计制作了球柱组合壳模型进行静水压力试验,测量其应力。通过对球柱组合壳结构的应力分布规律的研究,得到了球柱组合壳结构的应力与外压力的关系,并验证了球柱组合壳结构的连接处存在应力集中现象,利用试验数据得到了应力集中系数为1.4。     

复合材料剪切圆柱壳在轴压下的屈曲与后屈曲

给出了非对称正交铺层剪切圆柱壳广义Ｄｏｎｎｅｌｌ型大挠度方程,并运用位移摄动技术构造出该圆柱壳在轴压作用下的后屈曲渐近级数解。为保证边值问题摄动解的一致性,本文研究了边界效应对中短圆柱壳的影响,亦即运用奇异摄动技术详细分析了该圆柱壳端部边界层方程和奇异摄动解。     

复合材料剪切圆柱壳在轴压下的屈曲与后屈曲

给出了非对称正交铺层剪切圆柱壳广义Donnell型大挠度方程,并运用位移型摄动技术构造出该圆柱壳在轴压作用下的后屈曲渐近级数解.为保证边值问题摄动解的一致性,本文研究了边界效应对中短圆柱壳的影响,亦即运用奇异摄动技术详细分析了该圆柱壳端部边界层方程和奇异摄动解.并讨论了横向剪切变形、Batdorf数、弹性模量比和初始几何缺陷对圆柱壳屈曲与后屈曲性态的影响.比较显示,横向剪切变形对圆柱壳的屈曲与后屈曲有重要影响.     

蛋形水下耐压壳的屈曲行为研究

针对蛋形水下耐压壳结构的稳定性开展数值模拟研究,给出蛋形壳体的几何建模方法,基于Abaqus有限元仿真软件获得蛋形壳体的屈曲临界载荷和屈曲模态,并与Mushtri方程的理论结果进行对比研究,验证仿真模型的精确性。同时,为提高蛋形壳体的稳定性,提出一种加筋结构,研究加筋方式和加筋厚度等因素对壳体稳定性的影响规律,结果显示加筋结构对壳体的稳定性有显著增强效果,其中,环向加筋比纵向加筋效果更为明显,但加筋体厚度影响较小。分析还发现,壳体自身厚度对屈曲特征量的影响最大。     

纵筋环肋圆柱壳结构理论与试验研究

在对纵筋环肋圆柱壳结构进行理论分析的基础上,建立了该结构的力学和数学模型,得出计算公式。采用理论设计公式和有限元仿真计算设计一个大比例的舱段模型,并对该模型进行外压试验。通过对理论计算结果、有限元仿真计算结果和试验数据进行对比分析,认为环肋纵筋结构能显著提高结构的承载能力。     

深海载人潜水器耐压球壳设计特性分析

回顾了国内外深海载人潜水器载人球壳的设计现状,对国际上6 000米级载人球壳的特征进行了分析比较,并采用塑性分析方法对不同内径的钛合金载人球壳给出了设计厚度和重量特性,分别探讨了安全系数、球壳内径、体积密度、球壳重量等设计因素.     

深潜器多球交接耐压壳室温蠕变-疲劳特性研究

为了揭示钛合金深潜器多球交接耐压壳在实际作业过程中的蠕变-疲劳特性,通过定义的比例因子建立考虑蠕变损伤演化速率拉压不对称时的室温蠕变-疲劳损伤模型,通过对ABAQUS软件进行二次开发,基于蠕变-疲劳损伤模型和自动周期跳跃算法,建立了适用于深潜器多球交接耐压壳结构的蠕变-疲劳损伤数值模拟方法。数值分析结果显示,多球交接耐压壳结构的热点位置在承受拉伸载荷时,蠕变损伤对结构的蠕变-疲劳寿命影响显著,而承受压缩载荷时几乎不产生蠕变损伤;当作业水深增加时,蠕变-疲劳裂纹萌生寿命的减少速度明显高于疲劳裂纹萌生寿命的减少速度;当处于相同水深时,保载时间增加会使结构的蠕变-疲劳裂纹萌生寿命减少,但耐压壳的实际可作业时间大幅提升。研究结果可为多球交接耐压壳蠕变-疲劳强度的计算提供参考。     

钛合金材料蠕变特性的理论与试验研究

钛合金是深海工程装备的重要材料,在深海环境下会产生不同程度的蠕变变形。该文针对双态组织和网篮组织TC4 ELI钛合金材料,在宏观和微观两个方面开展钛合金蠕变试验研究。开展多组应力水平下的钛合金压缩蠕变试验,绘制蠕变曲线,对传统的Norton方程进行修正,基于最小二乘法拟合饱和蠕变临界应力值和蠕变应力指数,给出初始蠕变阶段和稳态阶段的蠕变本构关系。同时,基于OM(光学显微镜)、XRD(X射线衍射)、TEM(透射电镜)和SEM(扫描电镜)观察,给出TC4 ELI钛合金材料的压缩蠕变微观机理。