球形耐压壳设计中的稳定性校核

考虑球形耐压壳制造时的初始几何缺陷,依据欧标EN1993-1-6(2007)计算缺陷幅值,基于模态缺陷法在有限元模型中引入缺陷分布,求解初始缺陷对受压球壳稳定性的影响,针对大深度潜水器球形耐压壳,将模态缺陷法的分析结果与1996版、2013版《潜水系统和潜水器建造与入级规范》(以下简称《规范》)计算结果作比对,结果表明,模态缺陷法是分析几何缺陷条件下耐压球壳稳定性的有效方法;1996版《规范》得到的球形耐压壳的屈曲临界载荷值偏高,导致设计的结构偏危险,2013版《规范》与有限元分析结果吻合度较好,表明在大深度潜水器球形耐压壳的稳定性设计方面,2013版《规范》较1996版《规范》有所提升。     

大开口观察窗对多开口耐压球壳结构性能影响的研究

带有大开口观察窗的球壳结构在水下潜器中应用十分广泛,本文针对具有多个开孔的球壳结构,分别改变观察窗的直径大小以及观察窗偏离模型旋转轴的角度,利用有限元方法,进行了包括观察窗接触滑动在内的强度和稳定性的分析,得到了观察窗的大小和位置对球壳结构性能影响的一些规律.     

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。     

含坑点腐蚀的深海耐压球壳有限元分析

对于含坑点腐蚀等局部缺陷的球壳结构,由于结构的不连续性以及缺陷部位应力状态的三维特性,因此很难用传统的连续介质理论及板壳理论进行求解。为了对含坑点腐蚀的球壳的强度、稳定性进行精确分析,文中分别采用坑点腐蚀壳体单元(Pitting Corrosive Shell Element,PCSE)、基于多点约束(Multipoint Constraint,MPC)的壳体单元-实体单元集成以及实体单元三种方法进行对比计算,对比结果表明,采用PCSE方法的计算效率最高,且计算结果的精度满足工程应用要求。最后,基于PCSE方法并通过方差分析,讨论了坑点腐蚀对球壳强度及稳定性的影响。     

带有非轴对称球锥过渡环壳的球面舱壁优化设计

系统分析了带有非轴对称球锥过渡环壳的球面舱壁的结构组成、受力工况、强度与稳定性要求,用有限元方法对各参数进行了强度优化与稳定性优化.最后用某中型艇的非轴对称球锥过渡环壳的球面舱壁进行实例分析,对比优化前后球面舱壁的重量值及强度与稳定性性能.     

加肋锥—环—柱结合壳初始几何缺陷形态分析

根据加肋锥—环—柱结合壳加工建造过程,分析其中可能产生初始几何缺陷的环节和关键因素。同时参考现行规范,根据大量环肋薄壳结构的建造经验,分别对肋骨与壳板初始几何缺陷的形态进行分析,并与已建模型存在的初始几何缺陷测量值进行对比,进一步验证建造经验的可靠性。结果表明:锥—环—柱结合壳初始几何缺陷主要因肋骨与壳板的角焊缝及壳板之间的环焊缝产生;具有不同半波数的肋骨初挠度以及壳板凹凸度等为典型的初始几何缺陷形态。所得结果可为后续探寻初始几何缺陷对锥—环—柱结合壳力学性能的影响提供参考。     

考虑几何缺陷的刚架结构力学性能研究

以吊船大型刚架结构为研究对象,采用多单元混合的局部精细化有限元模型,兼顾精度要求和计算效率,在有限元分析中同时考虑结构的几何和材料非线性;通过特征值屈曲分析,研究初始几何缺陷对刚架结构的力学性能影响;通过改进一致缺陷模态法中直接以最低阶屈曲模态作为缺陷分布的方法,计算分析获取最不利几何缺陷作为结构初始几何缺陷分布,对结构进行稳定性评估;结合工程经验,对架体结构几何缺陷作正态分布假设的拟合,验证了上述方法的正确性和可靠性。表明:该结构对初始几何缺陷敏感,考虑几何缺陷的结构稳定性能是完善结构的30%~40%,对几何缺陷确定,应该分析比较不同几何缺陷分布模式以确保结果的合理性和可靠性。     

藕节形大深度潜水器耐压壳体优化设计

藕节形切弧连接耐压壳体是大深度潜水器耐压壳体的一种新型结构形式.该文考虑初始缺陷和材料、几何非线性的影响,参考潜艇规范,采用外点罚函数(OPF)法的结构优化程序,研究了三藕节切弧连接耐压壳体的优化设计.在研究中,设计变量为耐压壳体的厚度半径比、球壳间距半径比、连接角,考虑强度、稳定性以及几何约束,使浮力因子最小.同时研究了设计变量在结构优化设计中的敏感性,以及设计变量对耐压壳体的浮力因子、强度和稳定性的影响.文中的研究结果可以为藕节形大深度潜水器耐压壳体的结构设计提供参考.     

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.     

球壳屈曲特性试验与理论研究

针对不锈钢球壳进行静水压力试验,获得其屈曲载荷及最终失稳模式,并采用三维扫描及无损测厚试验获得的实际三维模型参数建立球壳模型,进行数值仿真分析.通过试验与数值计算结果的对比分析,验证了有限元数值计算的可行性及准确性,该数值仿真方法可作为预测已加工球壳屈曲特性的一种方法.此外,开展不同初始缺陷球壳的屈曲特性分析,认为轴对称初始缺陷可作为耐压球壳的初始预估缺陷,通过对此种缺陷球壳的计算,可预测球壳的极限承载力.     

大深度潜器载人球壳开孔强度的理论计算及试验验证

文章根据外压球壳开孔区域的轴对称性和等面积补强所体现的主要强度特征对大深度载人厚球壳锥台形开口加强形式进行几何变换,同时求解系数十分复杂的三阶非齐次方程,完善和扩展球壳开口围壁、厚板嵌入组合加强的理论计算方法。通过两个4 500 m潜器球壳几种开口加强形式的应力集中系数理论计算、有限元计算和试验验证,证明了该方法的可靠性和适用性,可为制订大深度潜器载人球壳强度规范提供依据。     

开孔球形耐压壳力学特性及疲劳分析

深入研究7000 m水深下球形耐压壳的力学特性及疲劳寿命.首先,对完整球形耐压壳进行强度及稳定性分析;其次在完整球形耐压壳的基础上,根据潜水器设计规范对其进行开孔加强设计;最后对开孔加强球形耐压球壳进行强度与稳定性以及疲劳寿命分析,并同时与完整球形耐压壳进行对比.研究结果表明,开孔对球形耐压壳影响较大,与完整球形耐压壳相比,强度下降了9.4%,稳定性下降了19%,疲劳寿命下降了32.4%.研究成果可为深海球形耐压壳开孔开窗设计提供参考.     

深海载人潜水器耐压球壳的非线性有限元分析

潜水器耐压球壳的稳定性是开发深海载人潜水器的关键技术之一,其球壳已达中厚壳范围,因此需考虑横向剪切变形的影响.本文基于非线性有限元方法,对大深度载人潜水器耐压球壳的非线性稳定性进行了研究,考虑了加工过程造成的不圆度、材料屈服引起的应变强化呈现的材料非线性、以及壳体整体屈服产生的塑性大变形而表现的几何非线性等因素的影响.计算表明,相同厚度耐压球壳的失稳临界压力随半径的增大而减少;球壳半径不变时,失稳临界压力则随厚度的增加而增大.文中给出了球壳失稳临界压力、厚度与直径的关系曲线,据此可选择潜水器耐压球壳的最佳几何尺寸.     

球壳开孔应力分析的一种解析方法

圆柱形围壁加强的球壳开孔是一种组合回转壳结构.该文采用与回转壳相对应的弹性基础梁理论方法进行求解.该方法较壳体理论(或扁壳理论)求解更方便,并能适应较复杂的加强结构和受力状态,同时获得较多的计算结果,该方法计算结果与有限元方法计算结果基本吻合.     

锥柱结合壳设计研究

为优化带凹角的锥柱结合壳舱室的设计,编写结构计算程序,对锥壳的强度与稳定性计算及锥柱结合壳舱室稳定性计算通过规范的解析式求解,对锥柱结合壳的凹凸角强度计算通过迁移矩阵法求解。程序采用自动计算节点坐标方法,解决结构参数的改变需求,从而实现优化计算。     

深海载人潜水器耐压球壳极限强度研究

对现有的潜水器耐压壳的研究主要都围绕薄壳结构,而深海载人潜水器耐压球壳,已属于厚壳的范围.国际上还没有均匀外压下厚球壳的解析解,只有美国海军泰勒水池耐压球壳设计公式及俄罗斯相应的公式可以参考.因此本文基于有限元的分析方法,对大深度载人潜水器耐压球壳极限强度进行了研究.通过对有限元参数的比较,提出了一个合理的有限元分析模型,计算结果与实验数据相符,而泰勒水池公式及俄罗斯公式的误差较大.然后计算了一系列半径厚度比下的耐压球壳的极限强度,并研究了初挠度的影响.本文认为对于深海载人潜水器耐压球壳可以直接根据有限元计算确定其极限强度,泰勒水池公式和俄罗斯公式偏于保守;耐压球壳经过精加工,初挠度对于其极限强度的影响不大.为了实用起见,本文还给出了完善耐压球壳极限强度与经典值的比值曲线,以及初挠度效应曲线.     

载人深潜器钛合金耐压球壳极限强度可靠性分析

以研制中的全国产化4 500 m级载人深潜器为背景,采用非线性有限元和弧长法计算钛合金球壳极限强度,通过有限元计算得到考虑多参数影响的球壳极限强度拟合公式。基于响应面法对完整球壳以及开孔球壳进行可靠性计算,分析随机变量参数敏感性,讨论球壳厚度、内半径、初始缺陷幅值及开孔连接处角度等不同参数对钛合金耐压球壳可靠性指标的影响。     

深海载人潜水器有开孔耐压球壳的极限强度

钛合金制深海载人潜水器耐压球壳属中厚度壳结构,上面设有人孔、观察窗等多个开孔,加工建造过程中又会产生初始缺陷,因此,这类结构的极限强度乃是设计者所必须关注的问题.本文利用ANSYS软件对上述有开孔耐压球壳的极限强度进行非线性有限元分析,计算了局部缺陷范围及幅值的变化对壳体极限强度的影响.计算结果表明,有围壁加强的开孔耐压球壳与无开孔耐压球壳的极限强度相差不大.     

深潜器载人球壳规范设计公式的比较

文章首先简要地介绍了几个船级社现有的关于深潜器载人球壳的规范设计公式,这些公式背后的理论基础要么是经典的屈服破坏或屈曲破坏.然后,应用这些规范公式对国际上现有的几个载人潜水器耐压球壳的设计厚度进行了计算,在计算中统一了输入的设计参数并将这些计算结果进行了比较.比较表明,不同船级社设计公式给出的球壳厚度存在很大差别,绝大多数设计规范计算出的厚度都超过潜水器的实际壳厚.因此,作者认为非常有必要对各船级社的规范设计公式进行更新,最好能像民船共同规范一样给出统一的球壳设计公式.最后,文中对如何建立统一公式的研究过程提出了建议.     

基于NURBS表达的船舶静水力特性精确计算

在船体曲面NURBS表达基础上,对船舶静水力特性参数进行精确而全面的定义,并结合平面与曲面求交算法和基于曲面表达的几何特性计算方法,对各静水力特性参数进行计算.这种方法不仅适合于传统的静水力特性计算,又适合于任意浮态下的静水力特性计算.对实船正浮状态下的静水力特性进行计算,与传统方法的计算结果进行对比和分析,说明了该定义方法的通用性和实用性;对倾斜状态下的静水力特性进行计算,并总结静水力特性参数值随浮态的变化规律,为船舶自由浮态和静稳性精确计算提供基础.