含凸、凹型加肋锥-环-柱结合壳的连接结构试验研究

制作了一个含凸、凹型加肋锥-环-柱结合壳的连接结构焊接钢模,进行了静水外压试验,研究连接结构的应力分布.环壳块的嵌入有效地削减了锥-柱结合部的应力峰值.模型在大圆柱壳破坏,表明连接结构的强度高于所连接的基本结构(环肋圆柱壳)的强度.实验证明含凸、凹型加肋锥-环-柱结合壳是潜艇耐压艇体相邻的大、小圆柱壳间一种优越的连接结...     

环肋壳体应力的有限元分析

分析环肋壳体这种复杂结构的应力分布规律,现行的解析法往往是无能为力的,但有限元方法却大有用武之地.本文首先从环肋园柱壳入手,把肋骨与壳板作为一个整体承受外压力,在壳中的应力分布,除肋骨应力外,与理论分析(解析法)的结果很接近.对于肋骨应力而言,由于在解析法中把肋骨作为壳体的弹性支座,两种不同的方法给出不同的结果.因此在用解析法的公式计算内肋骨应力时,应该作适当修正.在研究环肋壳体的超差加强时,应该特别注意这一点. 本文接着指出锥-锥-柱结合壳的有限元应力分析程序能够作为通用程序耒分析各种环肋壳体的应力分布规律,并且给出足够的精确度. 最后,着重探讨了壳板与仓壁连接处,以及锥-柱结合壳凹结合处的应力分布规律得到了一些相应的结论.     

加肋锥-环-柱结合壳连接分段极限承载能力分析

为研究初始几何缺陷对加肋凸型锥-环-柱结合壳连接分段极限承载能力的影响,参考现行规范对初始几何缺陷的要求,设计了初始几何缺陷的不同组合作为计算方案。建立了含不同初始几何缺陷形态的锥-环-柱结合壳连接分段模型,采用弧长法,分析连接分段的极限承载能力及破坏形式,并探讨了几何修正系数Cg的计算方法。结果表明:不同形态的初始几何缺陷对连接分段极限承载能力的影响有所区别;含加肋凸型锥-环-柱结合壳连接分段的极限承载能力几何修正系数可参考本文结论。     

Research on Strengthening Method of Concave Cone-toroid-cylinder Combined Shell with Initial Imperfection

含局部初始缺陷的凹锥-环-柱结合壳加强方法研究

张二;吴梵;毛开仁;刘春正

（海军工程大学舰船工程系 湖北武汉 430033）

创新点说明：本文的创新点主要有以下几个方面,1）本文通过ANSYS,建立了含初始几何缺陷的有限元模型;2）通过应力敏感度的分析,环壳两端肋骨应力对初始几何缺陷敏感度大于环壳中面周向应力。

目的：本文针对凹锥-环-柱结合壳这一新型连接结构,分析初始几何缺陷对其应力水平的影响,研究加强方法。

方法：采用有限元分析方法,通过建立含不同初始几何缺陷的有限元计算模型,选取出典型的初始几何缺陷形态。研究不同形态的初始几何缺陷对凹锥-环-柱结合壳应力的影响规律,进而确定含初始几何缺陷的凹锥-环-柱结合壳的加强方案。

结果：本文主要引入了四种初始几何缺陷形态,其中（1）对于四个不同形态的初始几何缺陷,当初始缺陷幅值倍数△=0.5时,环壳中面周向应力依然小于许用应力0.85σs,而肋骨应力均已超过许用应力0.6σs,这表明环壳两端肋骨应力较环壳中面周向应力对初始缺陷更加敏感。（2）当四个工况的初始几何缺陷幅值均达到允许值上限时,环壳中面周向应力以及肋骨应力均超过许用应力,呈危险状态。其中,当初始缺陷形态为工况一时,环壳中面周向应力达到最大,超出许用应力2.2%;当初始缺陷形态为工况二时,#9肋骨应力达到最大,超出许用应力11.9%。（3）通过加强#8、#9肋骨,可有效降低肋骨应力,使其满足许用应力的要求;同时对环壳中面周向应力也起到了一定的改善作用。（4）通过增加环壳厚度,可以大幅降低环壳中面周向应力,这与文献的结论一致;但环壳厚度的增加不能有效改善肋骨应力,通过方案二的加强,肋骨应力依然不满足许用应力的要求。

结论：（1）环壳段壳板中面周向应力及环壳段两端肋骨应力较大,成为凹锥-环-柱结合壳设计时的控制应力,需重点关注。（2）环壳两端肋骨应力对初始几何缺陷敏感度大于环壳中面周向应力。环壳段两端肋骨在设计时适当加强,以提高结构的安全性。

摘 要：针对凹锥-环-柱结合壳这一新型连接结构,分析了初始几何缺陷对其应力的影响。首先研究了凹锥-环-柱结合壳因焊接加工而产生的初始几何缺陷的位置及其形态。然后比较凹锥-环-柱结合壳各典型部位应力值,提取出数值相对较大的环壳中面周向应力及#9肋骨应力作为控制应力。通过改变肋骨初挠度及壳板凹凸度的形态,分析了初始几何缺陷对控制应力的影响。最后研究了含初始缺陷的凹锥-环-柱结合壳的加强方法。结论如下：（1）#9肋骨应力对初始几何缺陷的敏感度大于环壳中面周向应力;（2）环壳两端肋骨适当加强,可有效降低肋骨应力,同时也有利于改善环壳中面周向应力。

关键词：凹锥-环-柱结合壳;初始几何缺陷;应力;加强方案

     

夹芯复合材料耐压壳舱段仿真计算及临界环肋高度确定方法研究

本文基于Abaqus有限元仿真软件,针对夹芯复合材料耐压壳舱段有效支撑的临界环肋高度问题进行了计算分析.论文首先结合相关试验结果,对仿真计算方法进行了验证.然后建立了共3个系列15个有限元模型,对在不同腹板铺层方式、不同尺寸的T型截面舱段环肋结构支撑下的夹芯复合材料耐压壳长舱段进行了临界屈曲载荷的计算,并得到以下结论.通过设置环肋可以有效地增加夹芯复合材料耐压壳长舱段的稳定性.当环肋的支撑刚度增加到一定值时,长舱段的屈曲模态会从整体屈曲转变为被环肋边界限制在舱段范围内的的多段的单分段屈曲模态,该环肋高度称为环肋有效支撑的临界环肋高度.环肋有效支撑的临界高度可以通过屈曲载荷随腹板高度的增长趋势图中两段直线的交点位置来确定.当环肋高度大于临界环肋高度时,结构的分段屈曲载荷与环肋的属性关系不大,主要与夹芯圆柱壳自身的尺寸与材料属性有关.经计算,本文所分析的夹芯复合材料耐压壳结构其分段自身屈曲载荷可达7.0MPa.     

环肋加强变厚度圆柱壳的自由振动

分析了环肋变厚度圆柱壳的自振特性。采用精细时程积分法求解圆柱壳的一阶矩阵微分方程,结合壳体厚度变换矩阵以及由环肋运动微分方程导出的环肋状态向量变换矩阵,建立了环肋变厚度圆柱壳的整体传递矩阵,并依据边界条件获得结构自由振动的频率方程,从而对变厚度环肋圆柱壳进行的自由振动特性进行分析。数值计算结果表明,用该方法处理类似的环肋加强以及变厚度结构的自由振动问题是合理可行的。     

降低低频线谱的阻抗增强环肋圆柱壳结构设计

为降低水下航行体的低频线谱,对环肋圆柱壳进行了阻抗增强设计.基于模态分析理论分析了利用机械阻抗进行振声控制的机理,指出利用肋骨的不等截面、附加阻抗增强设计可以有效抑制圆柱壳的低阶"优势模态";根据阻抗失配和波型转换原理在肋骨腹板上添加振动阻尼物,采用波动理论分析了振动波传递特性,给出了具有高传递损失的阻抗增强肋骨设计方法.在上述基础上,提出一种阻抗增强环肋圆柱壳结构,对该新型肋骨加强圆柱壳振声性能进行了分析.结果表明提出的阻抗增强肋骨环肋圆柱壳不仅可以有效降低壳体振动均方速度,还大幅削弱了低频噪声线谱,具有较好的减振降噪效果.     

鞍形旋转壳在轴对称荷载下的一种新算法

对鞍形旋转壳的应力分析给出了一种新算法,即将鞍形旋转壳看作由环壳和球壳两部分组合而成,利用摄动理论中的指数近似法,分别对环壳和球壳进行了齐次解的渐近展开,然后再通过环壳和球壳交接处的联接条件求解.该算法大大降低了求解难度,且通过实例计算比较,表明该算法是正确实用的,其计算结果精度,接近于有限元算法的计算精度.     

不同纵横均匀外压作用下环肋圆柱壳稳定性分析

环肋圆柱壳结构因其具有的诸多优点,而被广泛应用于工程实际,但随着钢材屈服极限的不断提高,其稳定性问题越来越成为保证结构强度的一个重要指标,因此有必要对其结构的稳定性进行详细的分析.在对受各向均匀外压和单向均匀外压作用下环肋圆柱壳稳定特性的了解、认识和重新分析的基础上,研究了不同纵横均匀外压作用下环肋圆柱壳的稳定特性,得出了不同纵横均匀外压作用下环肋圆柱壳的稳定特性的规律,并在理论分析的基础上绘制了不同纵横均匀外压作用下的环肋圆柱壳随几何参数变化的稳定性曲线,由稳定性曲线给出了能使材料充分得到利用的环肋圆柱壳几何参数的范围.所得到的一些结论不仅能进一步完善环肋圆柱壳的稳定性理论,而且对实际工程设计及计算具有指导意义.     

环向加肋具有初始几何缺陷的旋转壳非线性数值分析 

研究了具有初始几何缺陷的环向加肋旋转壳的小应变、大转动、大位移问题。把环肋作为曲梁来处理，报导出了环肋四种变形组合下的几何非线性应变阵及肋截面惯性主轴为任意方向时的内力方程，然后对壳肋组合结构建立求解控制方程。     

轴对称荷载下加筋碟形薄壳的近似计算

对于承受轴对称荷载的加筋碟形薄壳,壳体内力可分为薄膜应力和弯曲应力,可以先把筋条按某种准则“均摊”在壳体上,从而用有效薄膜厚度和有效抗弯厚度来分别代替壳体厚度,再分别利用含待定复系数的旋转薄壳复变量方程,递推代换求解薄壳的薄膜解;以及利用幂指数摄动级数近似法求解薄壳的抗弯解;并通过环壳球壳交接处的协调条件以及边界条件,联立求解薄壳复变量方程中未知的待定复系数,从而使问题得以解决.     

潜艇耐压液舱壳板强度的计算方法研究

以往在对潜艇耐压液舱进行强度和稳定性计算时,通常将耐压液舱视为等效环肋圆柱壳.虽然液舱壳板是由不同半径和不同厚度的壳板组成,但计算方法是套用了环肋圆柱壳的计算方法,所不同的是引进了相当肋骨概念.而通过分析这种计算方法发现在理论上存在着很多不足之处,由于不同半径壳板的曲率变化,使得壳板中产生了很大的周向弯曲应力,因而套用环肋圆柱壳的计算方法忽略周向弯曲应力就偏于危险.鉴于此,将耐压液舱近似看作为一扁度较小的椭圆柱壳,采用椭圆形耐压指挥室的强度计算方法、相当半径方法和复变函数方法分别进行计算.实例计算结果表明:对于相同的椭圆柱壳,采用椭圆形耐压指挥室的强度计算方法比相当半径方法和复变函数方法计算更准确;在扁度较小的情况下,与环肋圆柱壳方法相比,采用椭圆形耐压指挥室的强度计算方法得到的计算结果更符合实际情况.     

局部单双层网壳的初步优化

局部单、双层网壳结构的设计涉及截面、形状和拓扑优化。为满足初步设计对计算效率的要求,采用均匀设计法来实现结构的多级别优化。实验设计使用现有的网壳结构设计软件,对计算结果进行回归分析,得到指标(用钢量、变形、基频和最小非线性屈曲荷载)与变量(网壳矢高、单层部分范围和单层部分杆件设计应力比)之间的近似函数关系。求解简单的规划问题,得到变量之间的最优水平组合。一个点支承六边形局部单、双层网壳的比较设计说明了方法的效率和可靠性。     

应力参数对圆柱壳声辐射影响的初探

对加筋圆柱壳由于肋骨数目改变所引起的结构应力参数变化对辐射噪声的影响进行了探索．运用Ansys软件建立不同结构参数的加筋圆柱壳有限元模型，计算了模型在激振力作用下的耦合振动响应，提取结构表面的位移，在Sysnoise软件中计算各种声学物理量．得到了各工况下模型在水下受激振动时的结构表面速度、水中辐射声压和辐射声功率等分布规律．找出了肋骨数目改变引起的结构应力参数与加筋圆柱壳振动和结构声辐射之间的关系，对舱段结构振动与噪声的控制有重要的参考意义．     

带有中间支骨环肋圆柱壳应力修正系数的研究

本文主要研究了带有中间支骨的环肋圆柱壳在均匀静水压力作用下，应力计算时所出现的一些问题。由于高强度钢材的屈服极限不断地增大，下潜深度的不断增加，弯曲微分方程解的形式将不仅限于复数解。随着不同的结构尺寸及外载荷的变化，将会出现实数解及虚数解。本文分析了各种形式解的力学意义，推导了各种解的具体形式，确定了应力计算中各取值范围应力修正系数。通过与现有计算方法计算结果的比较发现，当肋骨尺寸较小时，其结果差异较大。同时论证了中间支骨是考虑到稳定性因素而加设的，但是它对结构的强度也起到了加强作用。     

Research on the “three shells” cooperative support technology of large-section chambers in deep mines

The "three shells" cooperative support technology was proposed herein according to both the large deformation of the rock surrounding large-section chambers in deep mines and the precarious stability of the support structures therein. The development range of the plastic zone in the surrounding rock was controlled by a stress shell to reduce the difficulty of controlling the surrounding rock. Additionally, the residual strength of the rock mass in the plastic zone and the self-bearing capacity of the surrounding rock were improved by a reinforced load-bearing shell. Furthermore, a passive load-bearing shell could restore the triaxial stress state of the surrounding rock on the free surface, reduce the influence of the external environment on the surrounding rock, and reinforce the surrounding rock with the strength of the shell. Reasonable layouts of large-section chambers were determined by analyzing the control effect of the stress shell on the surrounding rock under three kinds of in situ stress fields. The orthogonal test method was applied to reveal the influences of different support parameters in the reinforced loadbearing shell and passive load-bearing shell on the surrounding rock stability. The surrounding rock control effect of the "three shells" collaborative support technology was analyzed through numerical simulation and field monitoring. The results show that the maximum displacement between the roof and floor of the coal preparation chamber in the Xinjulong coal mine was approximately 48 mm, and the maximum displacement between its two sides was approximately 65 mm, indicating that the technology proposed herein could meet the long-term control requirements of the surrounding rock stability for large-section chambers in deep mines.