外置式耐压液舱实肋板拓扑和开孔尺寸优化

[目的]为了简化建造工艺和减轻液舱结构重量,对外置式耐压液舱实肋板结构进行拓扑优化和开孔尺寸优化设计。[方法]首先,利用Hyperworks/Optistruct对外置式耐压液舱整体模型进行结构应力分析。然后,在拓扑优化中,除与液舱壳板和耐压船体壳板相连的约100 mm长条状范围外,以实肋板其他范围内的单元密度为设计变量;以与实肋板相连的液舱壳板和船体壳板上结构的典型应力及实肋板体积分数为约束,以实肋板上最大Mises应力最小化为目标,针对满载和空舱两种工况,利用商用软件Hyperworks/Optistruct对实肋板结构进行拓扑优化。最后,基于Matlab和ANSYS联合优化,以实肋板上von Mises应力和剪应力为约束,以相应结构重量极小化为目标,对实肋板开孔进行尺寸优化,从而得到精细化开孔方案。[结果]拓扑优化结果表明,外置式耐压液舱实肋板开减轻孔应集中在中、下部。开孔尺寸优化结果表明,相比初始方案,实肋板剪应力增加38%,其他关注区域应力相当时,内部实肋板上结构重量可降低19%。[结论]两类优化设计均表明,外置式耐压液舱实肋板开减轻孔应集中在中下部,且从下到上开孔面积应逐渐减小。     

切断一根肋骨的圆柱壳开孔应力分析

潜艇耐压壳体上大的开孔常常切断一根肋骨,并且用围壁进行加强.目前,环肋圆柱壳上用围壁加强的圆形开孔强度计算所用规范中的公式,是针对用围壁加强的不带肋骨的圆柱壳开孔推导出来的,而肋骨对孔口的应力集中是有影响的.本文用有限元方法对环肋圆柱壳上切断一根肋骨的用围壁加强的正交单圆孔,在静水外压下随开孔直径和加强程度变化的应力大小及分布规律进行了数值分析,发现孔边壳板中面应力与光圆柱壳开孔接近,但最大中面周向应力处弯曲应力很大;当加强程度大时,孔边壳板最大表面纵向应力超过最大表面周向应力,断肋骨面板应力很大.     

钛合金耐压夹层圆柱壳芯层结构拓扑优化

[目的]因对于钛合金耐压夹层圆柱壳这种新型耐压结构研究得较少,其芯层拓扑形式有待优化确认,需开展芯层拓扑优化。[方法]首先,选择一个壁厚较大的无加筋圆柱壳作为分析对象,采用ANSYS轴对称单元计算结构的应力;然后,沿圆柱壳厚度方向划分为上、中、下3个区域,将中部区域的结构设为设计变量,并建立其芯层结构形式的两阶段拓扑优化数学模型;最后,基于Matlab建立遗传算法主控程序,针对无加筋圆柱壳芯层的布置,分别仅沿轴向、轴向与径向布置形式两个阶段进行拓扑优化,以验证上述耐压夹层圆柱壳加筋形式的合理性。[结果]优化方案芯层拓扑形式为等间距设置,垂直连接内壳和外壳的肋板。[结论]静水压力载荷下的耐压夹层圆柱壳结构是一种合理的耐压结构形式。     

潜器耐压球壳结构开孔加强形式的对比分析

耐压球壳作为载人潜水器的承压结构形式之一,保证了潜器内部设备及人员的安全。由于出入舱室、观测等要求,将不可避免地在耐压结构上进行开孔。这些开孔结构的存在对耐压球壳整体结构强度和稳定性会造成影响。文中介绍了3种常见的耐压球壳开孔加强形式(侧壁加强、垫板加强、肘板加强),并采用ANSYS有限元分析软件对每一种开孔加强形式的极限强度进行了对比分析。相比侧壁加强和垫板加强,肘板加强具有更高的极限强度。但考虑到肘板连接处存在较大的应力集中及制造工艺较难,文中提出了一种新型开孔加强形式——梯形加强,该加强形式相比肘板加强具有更优秀的结构性能和工艺性。     

内压下矩形耐压舱角隅结构形状和拓扑优化设计

为解决内压下矩形耐压舱角隅结构应力集中的问题,提出了角隅结构形状优化和拓扑优化的数学模型。采用子模型技术对结构进行精细化静强度应力分析,以角隅边界形状的变化作为设计变量,极小化角隅结构的应力,得到的最佳角隅形状为弧形。在此基础上,极小化角隅结构的应力,对耐压舱角隅肘板进行拓扑优化设计,寻求肘板材料的最优分布和管路铺设的空间,得到了具有内部圆形开孔和去掉三角形尖角的新型肘板结构。弧形角隅形状和开孔新型式的肘板有效地降低了角隅结构的应力集中。建议的方法可为类似结构的优化设计提供参考。     

船舶肘板拓扑优化设计

目前,船舶构件之间主要由传统的三角形肘板连接,这种肘板易在构件与肘板的连接处造成应力集中。提出一种肘板拓扑优化的设计方法,采用子模型技术对船舶肘板节点结构进行应力分布精细化分析,以肘板材料的分布作为设计变量,考虑肘板连接的桁材应力约束,极小化肘板与桁材连接部位的应力,对船舶典型节点肘板结构进行拓扑优化。在对肘板拓扑优化结果进行适当的工程化处理后,提出一种新的肘板结构型式。计算结果表明,相对于传统的三角形肘板,新型肘板结构有效降低了节点应力集中,可为此类结构的强度分析与优化设计提供有益的参考。     

船舶肘板拓扑优化设计北大核心CSCD

目前,船舶构件之间主要由传统的三角形肘板连接,这种肘板易在构件与肘板的连接处造成应力集中。提出一种肘板拓扑优化的设计方法,采用子模型技术对船舶肘板节点结构进行应力分布精细化分析,以肘板材料的分布作为设计变量,考虑肘板连接的桁材应力约束,极小化肘板与桁材连接部位的应力,对船舶典型节点肘板结构进行拓扑优化。在对肘板拓扑优化结果进行适当的工程化处理后,提出一种新的肘板结构型式。计算结果表明,相对于传统的三角形肘板,新型肘板结构有效降低了节点应力集中,可为此类结构的强度分析与优化设计提供有益的参考。     

水下结构物长基座拓扑与尺寸优化设计

[目的]基座结构的阻抗值及不同加载点间的阻抗均匀性会影响水下结构物辐射噪声。[方法]以一典型水下结构物长基座结构为研究对象,将基座腹板单元密度作为设计变量,提出以提高基座阻抗均匀性为目标的拓扑优化数学模型,并根据优化结果提出有效的腹板开孔形式。在此基础上,以基座各板厚作为设计变量,同时将基座的阻抗值及阻抗均匀性作为目标,建立基于宽容排序法的多目标尺寸优化数学模型,获得基座面板、腹板和肘板板厚优化方案。[结果]拓扑结果表明,基座腹板上并不以相同的模式开孔,且腹板开孔中心与其几何中心不同。尺寸优化结果表明,改变基座面板、腹板以及肘板板厚的搭配,可使案例阻抗离散度最大值减小9.37%,同时基座重量降低33.31%,且加载点阻抗最小值基本不变。[结论]为了提高不同加载点间的阻抗均匀性,不宜在基座腹板上以相同的模式开孔;为了兼顾阻抗均匀性和阻抗值,基座各构件不同区域板厚可不相同。研究结果可为水下结构物基座优化设计提供参考。     

圆锥壳大型开孔围栏焊缝裂纹疲劳寿命分析北大核心CSCD

[目的]旨在研究受均布压载荷的圆锥壳大型开孔围栏焊缝结构中的疲劳寿命问题。[方法]以某水下耐压结构模型作为研究对象,构建有限元模型,使用结构应变方法获取该结构的疲劳危险点并计算该点处疲劳寿命。将计算结果与该水下耐压结构模型的试验数据进行对比,验证结构应变方法在此类结构疲劳寿命评估中的准确性。[结果]结果表明,结构应力最大部位出现在围栏焊缝靠近模型大端一侧,与试验中疲劳裂纹出现位置一致。结构应变方法计算得到的疲劳寿命与实际试验结果基本吻合,实际试验中的疲劳数据落在主e-N曲线的一条窄带上;围栏焊缝危险点处正向结构应力远大于切向结构应力。[结论]结构应变方法可以较好地解释圆锥壳大型开孔围栏焊缝结构的疲劳寿命问题,在此类载荷条件下,危险点处初始裂纹应当为一型。     

基于拓扑优化和尺寸优化的水下耐压球壳轻量化设计

大深度载人潜水器往往采用开孔耐压球壳作为其主要的承压结构,球壳开孔加强结构的优化设计,对减轻球壳重量,提高球壳承载能力具有重要意义。本文介绍拓扑优化的方法以及耐压球壳优化设计的基本流程,以4 500 m耐压球壳为研究对象,基于Hyperworks和Workbench软件,建立了耐压球壳的有限元模型,进行静力分析,并根据结果对球壳的开孔加强结构进行拓扑优化和尺寸优化,得到最优的加强形式。优化结果表明,优化后的耐压球壳的刚度和承载能力得到显著提高。     

关于双排大开孔环肋圆柱壳结构强度若干问题的讨论

本文根据大型钢模试验结果对双排大开孔耐压圆柱壳结构设计中的几个主要问题。即孔口最大应力，孔间壳板应力，肋骨应力及结构承载能力等进行综合分析和归纳并与现有计算规则中的某些方法挂靠，解决双排连续大开孔耐压结构强度和承载能力的实际设计的计算问题。     

散货船顶边舱横隔板的拓扑优化设计

针对散货船顶边舱横隔板的设计主要靠母型船和工程师经验进行,以横隔板重量最轻为目标,参照原始设计的应力结果进行基于应力约束的拓扑优化。基于原始设计方案,去除顶边舱横隔板上的开孔面板、防倾肘板和屈曲筋,对结构进行细化后获得响应工况的应力作为拓扑优化的应力约束。分别对单个横隔板进行拓扑优化和对货舱内所有横隔板进行拓扑优化。基于拓扑优化结果,设计新的横隔板开孔方式并进行详细设计,并基于三舱段有限元计算对优化设计进行粗网格和细化分析校核。优化后的构型相对原始设计能获得更轻便的重量和更小的应力结果。本文的研究可以为散货船的拓扑优化、顶边舱横隔板的设计提供参考。     

肘板对肋骨侧向稳定性的影响

在环肋圆柱壳的肋骨周向均匀布置肘板,结果显示肘板能有效限制肋骨的侧向变形,改善肋骨的侧向稳定性,提高肋骨的临界失稳压力;对比分析半肋距肘板与整肋距肘板发现,整肋距肘板对肋骨的侧向约束效果更佳,更有利于提高肋骨的侧向稳定性。研究结果显示,整肋距肘板能有效提高肋骨的侧向稳定性和环肋圆柱壳的总体稳定性。     

开孔围栏问题有限元分析

开孔是耐压船体舷侧不可缺少的结构,开孔后一般采用圆柱形围栏加强,围栏高度及安装尺寸依开孔半径确定.利用MSC/PATRAN软件对开孔围栏问题进行有限元分析,研究正交开孔下围栏半径、高度以及安装尺寸对开孔区域应力的影响.     

肘板对肋骨侧向稳定性的影响

通过研究在环肋圆柱壳的肋骨周向均匀布置肘板,得到肘板能有效限制肋骨的侧向变形,改善肋骨的侧向稳定性,提高肋骨的临界失稳压力,通过对比分析半肋距肘板和整肋距肘板,得到整肋距肘板对肋骨的侧向约束效果更明显,更有利于提高肋骨的侧向稳定性,最后得出整肋距肘板能有效提高肋骨的侧向稳定性和圆柱壳的整体稳定性。     

内外肋骨径向初挠度对环肋圆柱壳结构强度的影响分析

利用APDL参数化有限元方法模拟肋骨径向初挠度的各种缺陷形式及分布,通过系列计算和无量纲化对比,研究内、外肋骨局部内凹、外凸和整体椭圆度对圆柱壳结构强度和稳定性的具体影响特征,可为结构超差加强提供有用的参考依据和合理化建议。跨端壳板内表面纵向应力σ1对肋骨局部凹凸度十分敏感,局部外凸对σ1很不利。局部外凸对内肋骨面板不利,内凹对外肋骨面板不利;外肋骨局部外凸使腹板、面板应力减小,是有利的。0.25 R%整体椭圆度对径向变形影响很大,对结构应力影响很小。     

圆柱壳大开孔补强的应力集中分析

针对潜艇耐压壳体上大开孔补强处的应力集中现象,结合工程实际问题,采用规范和有限元法对潜艇耐压壳体上大开孔不同补强形式进行了研究,建立了相应的模型,并求出了应力集中系数。通过对两种方法的计算结果进行分析比较,发现当围壁加强时,最大周向应力处的弯曲应力不容忽视。结果说明,用有限单元法进行大开孔补强结构设计是合理、有效的,是对规范计算的完善和补充。     

肋骨许用应力对环肋圆柱壳结构设计的影响

[目的]旨在研究不同肋骨的许用应力对圆柱壳结构设计的影响.[方法]采用全因子试验设计和信息熵方法,建立基于综合裕度的环肋圆柱壳多目标优化模型,并利用宽容度排序法对建立的多目标优化模型进行优化求解,以及通过改变肋骨许用应力安全系数,分析肋骨许用应力对圆柱壳各属性均匀度的影响.[结果]结果表明,圆柱壳肋骨应力为主要设计约束...     

散货船新型曲边肘板节点的疲劳强度

应用谱分析法计算肋骨与顶、底边舱连接部位的应力传递函数和应力功率谱密度，并把此功率谱密度作为外载荷输入MSC．FATlGUE软件包，对几种肘板形式进行疲劳寿命分析。经对分析结果进行对比发现，肘板经曲边处理后能显著降低节点应力集中，提高节点疲劳寿命。     

半圆环壳型肋骨加强的耐压圆柱壳结构稳定性研究

耐压圆柱壳通常采用环肋加强以提高在静水外压作用下的结构稳定性.本文提出了半圆环壳型肋骨加强的耐压圆柱壳结构形式,在理论和模型试验研究的基础上建立了设计计算方法.研究结果表明:半圆环壳型肋骨与耐压壳板有两个连接点,减小了相邻两肋之间的净距离,能较大幅度地提高肋间壳板的稳定性;由于半圆环壳型肋骨侧向稳定性较大,合理设计半圆环壳半径和厚度,增加半圆环面内惯性矩,可以较大幅度地提高耐压壳总体失稳压力.