基于弹性有限元分析的船体结构焊接变形研究

  目的  半潜式起重拆解平台的分段焊接变形直接影响着整个平台的尺寸精度和建造周期。  方法  为此,以典型的B514分段为研究对象,首先预测其焊接面外变形的趋势及数值,分析反变形施加以及焊接顺序优化的影响,提升分段结构的建造精度;然后,依据焊接规范梳理平台结构的主要接头类型及焊接工艺,并通过高效的热−弹−塑性有限元分析,研究典型接头的热−力学响应,获得对应的焊接固有变形;最后,将焊接固有变形作为力学载荷,通过弹性有限元计算,预测B514分段的整体建造精度,同时研究施加反变形和不同焊接顺序对分段建造精度的影响。  结果  基于固有变形的弹性有限元分析,所预测的面外变形与实际测量结果基本吻合,给出了面外变形的产生机理。  结论  通过高效的有限元分析,可以获得并构建焊接固有变形数据库,从而用于复杂分段结构的焊接变形预测,并且施加反变形和焊接顺序优化能有效降低焊接面外变形。     

高速道岔弹性铁垫板刚度劣化规律及对提速的影响

对高速道岔弹性铁垫板的伤损发展及刚度演变过程进行了跟踪试验;基于实测数据,建立了车辆-道岔耦合动力学计算模型,分析了弹性铁垫板刚度劣化对车辆-道岔动力性能的影响,研究了刚度劣化状态下高速道岔对进一步提升运营速度的适应性。研究结果表明：随着高速道岔弹性铁垫板的长期使用,出现橡胶老化、开裂、分离、脱落,铁件锈蚀等伤损;有砟、无砟道岔铁垫板动静刚度比变化均较小,但静刚度均有所增大,有砟道岔铁垫板静刚度初期即有明显变化,上道3年增幅可超60%;普通地带无砟道岔铁垫板静刚度最大可增加30%,刚度变化小于有砟道岔;高寒、多风沙地带无砟道岔铁垫板静刚度变化较快;高速道岔弹性铁垫板刚度的逐渐劣化会对动力性能产生影响;刚度劣化状态下岔区钢轨变形减小,轮轨动力冲击作用增大,安全性参数均有提高;车辆和轮对的运动轨迹基本不变,但轮对振动加剧,车体振动也有加剧的趋势;高速道岔弹性铁垫板刚度劣化状态下,运营速度的提升会导致车辆-道岔系统动力性能进一步劣化,安全和疲劳性能裕量进一步减小,刚度劣化会使高速道岔对提速的适应性下降。扩大提速范围须重点关注道岔区弹性铁垫板刚度劣化情况,对弹性铁垫板进行适当更换,确保行车安全平稳。     

关于海船船体总强度准则的一个新见解

  目的  为提高船体加筋板极限承载性能非线性数值模拟的准确性,研究理想弹塑性、各向同性强化及循环塑性Chaboche材料模型对加筋板极限状态时的塑性屈服分布及压缩、拉伸极限强度的影响。  方法  针对某同一尺寸加筋板,采用ANSYS软件开展轴向循环压缩、循环压缩−拉伸载荷下的极限承载性能非线性有限元数值模拟。  结果  结果显示,不同的材料属性对加筋板极限承载性能及极限状态时的塑性屈服分布具有显著影响;在开展船体加筋板极限承载性能非线性有限元数值模拟时,需要根据不同的载荷形式选择恰当的材料模型。  结论  所得结果对进一步研究船体结构在循环载荷作用下的极限强度特性及累积塑性破坏机理具有一定的参考价值。     

水下爆炸条件下自由场压力载荷时频特征分析

  目的  加筋板结构参数对其抗水下爆炸性能有重要影响,需要对加强筋高度、加强筋数目、加强筋厚度等参数的具体影响进行分析。  方法  基于耦合欧拉−拉格朗日（CEL）方法开展数值模拟研究,分析加筋板结构参数对结构抗爆性能的影响。基于加强筋在水下爆炸载荷作用下的吸能规律,引入系数来表征加强筋的影响程度,提出一种考虑加强筋系数的等效厚度计算方法。  结果  对加筋板抗水下爆炸能力影响显著的3个因素分别是加强筋高度、面板厚度和加强筋厚度,翼板厚度影响较小。在结构质量改变量相同的情况下,横/纵向加强筋高度对加筋板破口面积的影响是翼板厚度的2.5倍,面板厚度和横/纵向加强筋腹板厚度对破口面积的影响是翼板厚度的2倍。随着加强筋高度、加强筋数目、加强筋厚度等参数的增加,加筋板结构强度和抗水下爆炸能力增强,损伤程度减小。采用考虑加强筋系数的等效厚度计算方法得到的相关性系数为−0.94,该方法能较好地反映加筋板抗水下爆炸的能力。  结论  研究结果可以作为舰船结构抗水下爆炸载荷评估的基础,为舰船抗爆结构设计提供参考。     

多工况应力约束下多用途船货舱结构优化

  目的  为提高有限元结构强度校核效率,减少尺寸优化迭代成本,提出散货船双层底纵桁的板缝布置和尺寸优化方法。  方法  首先,基于理论公式论证子模型技术的可靠性,提出双层底纵桁优化设计的多工况筛选方法。然后,以某散货船双层底纵桁为例,对纵桁进行板格划分,以板格厚度为变量、《散货船和油船共同结构规范》（HCSR）的许用应力为约束条件进行尺寸优化,用穷举法列举所有板缝布置方案对优化后的板格厚度进行合并,选出重量最轻的板缝布置优化方案。最后,基于HCSR舱段有限元计算的屈服强度要求,对上述散货船双层底纵桁需加强的区域进行板缝布置优化,在此基础上,采用尺寸优化方法实现满足屈服强度要求的结构尺寸优化。  结果  结果显示,采用提出的基于尺寸优化的板缝布置优化和结构加强方法能减轻优化区域重量 4.9%。  结论  所提方法能有效减少人为有限元加强时的随机性,优化有限元结构加强方案,减轻结构加强重量。     

基于固有应变的船体总段船台合拢焊接变形预测研究

预测船体总段船台合拢的焊接变形,对于船体制造工艺设计和精度造船具有重要的意义。文章在掌握固有应变概念的基础上,利用上海交通大学和日本大阪大学共同开发的基于固有应变的Weld-sta软件,对大型集装箱船的船体总段船台合拢焊接变形进行了预测。预测结果表明船台合拢总收缩变形量为50.339 mm,模拟计算结果与实际建造结果吻合,验证了固有应变为基础的弹性板单元有限元预测法在船体总段合拢焊接中应用的可行性,从而为船体总段合拢时补偿量或收缩量的确定提供数据支持和理论指导。     

水下上弧形板结构的水动力特性研究

文章应用边界单元法,依据波浪绕射和辐射理论研究了一种新型的板式防波堤结构—上弧形板结构。研究中通过与另外三种板式防波堤结构(下弧形板结构,单板结构,双层板结构)的对比,验证了这一新型结构具有更好的消波效果。文中重点分析了这种新型结构的散射波浪力、透射系数和反射系数,并且为了进一步揭示这种结构的消波原理,对该结构周围的流场进了分析。研究发现：（1）上弧形板结构在横荡方向上所受波浪力最小。（2）当潜深波高比为0.05时,该结构的消波效果比其他三种结构增强约50%。（3）通过对上弧形板结构的速度流场分析,发现上弧形板结构上部有明显回流。     

考虑流固耦合效应的圆柱尾板流场控制效果比较研究

基于流固耦合方法对分隔板圆柱绕流进行数值模拟研究,分析了雷诺数Re=200时,分隔板长度(D≤L≤3D,D为圆柱直径)对圆柱受力和周围流场的影响。结果表明：分隔板长度L≥2D时,考虑流固耦合后柔性分隔板圆柱的升力系数大于刚性分隔板圆柱,且随板长增加升力系数不断提升,阻力系数也相应增大;柔性分隔板尾缘流场受自由端上下摆动影响,未出现小尺度旋涡,同时分隔板上、下表面均出现旋涡。此外,流固耦合条件下尾缘旋涡结构模式将发生变化,刚性分隔板圆柱尾迹旋涡为2P型,柔性则为2S型;随分隔板长度增加,柔性分隔板自由端发生偏转,增加了对流场的额外扰动,分离流的旋转特性受到抑制,斯特努哈尔数(Strouhal, St)均小于刚性分隔板(除分隔板L=2D外),同时脱落涡的涡强及脱落频率均有所降低。     

焊接残余应力对疲劳寿命影响的定量研究

在以往的研究中,残余应力对疲劳寿命的影响基本上均局限于定性分析,很少给出定量的研究结果。文章基于双参数统一方法,开展了锥柱结合壳处的残余应力对疲劳寿命的定量计算分析,给出了残余应力对疲劳寿命影响范围,并通过试样疲劳试验进行了验证。通过研究,可以看出残余应力没有改变裂纹的扩展趋势,但明显加快了裂纹扩展的过程,明显降低了耐压结构的疲劳寿命。     

加筋板结构在水下爆炸冲击波作用下动态响应的近似相似方法研究

提出了同时考虑流固耦合和材料应变率强化效应时,加筋板结构在水下爆炸冲击波作用下动态响应的相似条件.在此基础上,提出了该问题的近似相似方法.该方法通过在模型和原型之间建立一个修正模型,达到利用修正模型的冲击响应近似预报原型响应的目的.最后提出了利用缩比模型试验预报原型冲击塑性变形的模型化试验方法.文中结论可用于指导利用模型试验预报船体局部板架在水下爆炸冲击波作用下动态响应.