凹型加肋锥-环-柱结合壳局部加强方式的研究

为了给潜艇加肋锥-环-柱结合壳提供设计依据,对组合壳中凹环壳块的加强方式进行了探讨.通过分析凹型加肋锥-环-柱结合壳中环壳块的应力,指出凹环壳块需局部加强的必要性.提出凹环壳块中部增设肋骨和凹环壳块适当加厚两种加强方式,分析它们的应力分布特点.通过大量的计算,比较两种加强方式的效率,提出"应力放大系数"作为衡量凹环壳块加强方式效率的指标.制作了2种加强方式的凹型加肋锥-环-柱结合壳精车模型,进行了模型试验.计算分析和模型试验结果表明,对凹环壳块适当加厚是提高凹型加肋锥-环-柱结合壳效率的较优越的加强方式.     

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...     

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

     

轴压下大型薄壁圆柱壳的稳定性研究

承受轴向和周边径向压力的大型薄壁钢柱壳结构的稳定性分析是一个十分复杂的问题.根据理想壳体结构的屈曲平衡方程得出的临界应力,结合德国和我国的设计规范,通过有限单元法研究了初始缺陷、环向加劲肋间距、大开孔对薄壁圆柱壳稳定性的影响.结果表明:初始缺陷可使薄壁柱壳的极限屈曲应力降低至理想壳体临界应力的1/4以下;环向加劲肋间距的减小能够使得壳体极限屈曲应力显著增加,进而大大地提高了壳体的轴向承载力;大开孔的存在严重削弱了壳体的整体稳定性.上述结论对于薄壁柱壳的稳定性分析具有一定的理论意义和实用价值.     

基于EBF神经网络的复合材料耐压壳性能研究

为了对水下航行器非均匀内部环肋复合材料耐压壳进行高效率结构性能设计,基于复合材料可设计性特点,应用复合材料细观力学刚度的材料力学理论与有限元分析方法对耐压壳结构进行力学仿真分析,结合EBF椭圆基神经网络近似模型技术以及拉丁超立方设计试验方法从细观层面对组分材料属性在非均匀环肋复合材料耐压壳性能中的影响进行研究。结果表明:纤维和基体的弹性模量对耐压壳结构材料力学性能影响最大,剪切模量对各力学性能影响都很小。在组分材料属性一定的情况下,随着纤维体积分数增加,Tsai-Wu失效指数和临界失稳压力有所提高,而相邻肋骨中点处壳板周向应力、肋骨处壳板轴向应力和肋骨应力随之降低。因此,在非均匀环肋复合材料耐压壳设计过程中应重点考虑较大弹性模量以及适当纤维体积分数的组分材料以达到结构性能最优化的目的。     

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。     

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.     

轴对称旋转壳弹性有限元分析

本用有限元素法对轴对称旋转板、壳进行了应力、应变分析。对可找到解析解的壳体如球形壳，编制计算程序，上机计算，将有限元求得的结果与解析式求得的结果进行比较、分析。     

环向加筋夹层圆柱壳体应力计算方法

针对环向加筋夹层圆柱壳体的应力计算问题，本文提出内、外壳板纵向力计算模型，建立了环向加筋夹层圆柱壳体在外压载荷作用下的应力解析计算方法，计算结果与有限元结果吻合较好；以10%误差(解析应力值与有限元值的偏差)为衡准，初步提出该方法的适用条件；同时系统探究了各形状参数对环向加筋夹层圆柱壳体关键位置应力的影响规律。为超大潜深新型耐压结构设计提供理论基础。     

内置CFRP圆管的方钢管高强混凝土柱-钢梁节点的静力性能

目的通过研究找出两类内置CFRP圆管方钢管高强混凝土柱-钢梁节点在单调荷载作用下的传力机制和破坏模态．方法设计了一栋采用内置CFRP圆管的方钢管混凝土柱的5层框架结构,利用有限元软件ABAQUS建立了三维有限元模型,对两类节点进行了单调荷载作用下的模拟分析．结果外加强环式节点的梁端弯矩主要通过柱角附近的水平环板和柱两侧外伸环板传递给柱壁和核心混凝土,水平环板有效宽度大约为0．5倍的柱宽度．外肋环板式节点的极限位移均大于外加强环式节点,尤其是外肋宽度大于40mm时更为明显．外肋环板式节点的极限承载力也高于外加强环式节点．结论设计节点的破坏主要原因是环板和钢梁翼缘交接位置出现局部屈曲,节点的极限承载力取决于梁的抗弯承载力,变截面位置作为整个节点危险部位,在设计中应进行计算和校核．     

薄环板与扁薄锥壳组合结构在横向载荷作用下的非线性振动

从弹性壳体的无量纲控制方程出发，研究了一类薄环板与扁薄锥壳组合结构在横向均布载荷和温度载荷作用下的大挠度非线性振动问题．采用打靶法对周边固定的问题进行了数值求解，分析和讨论了组合结构的固有频率与外载荷、锥底和环板半径比例、扁壳锥度的非线性关系以及结构刚度的变化．     

加劲环式压力管道非线性有限元分析及稳定性计算

采用非线性分析理论,对加劲环式压力管道进行了非线性有限元分析,给出了加劲环式压力管道的应力分布规律和混凝土开裂次序,分析结果为加劲环式压力管道的设计和施工提供了参考依据.并采用半解析有限元法对加劲环式压力钢管进行了抗外压稳定性计算分析,结果表明,该加劲环式压力管道是安全可靠的.     

用截面法求解一般旋转壳体的薄膜应力

用截面法求解壳体薄膜应力的过程是简单而直观的，但该方法一般只用来求解形状简单的球壳或圆柱壳。通过分析表明，把截面法加以改进也可以用来求解母线为任意形状壳体的薄膜应力。由于壳体经向应力求解过程比较简单，本文只给出了如何应用截面法求解壳体环向应力，并举例说明了该方法在其它方面的应用。     

方钢管混凝土柱-钢梁外加强环节点的非线性有限元分析

目的研究环板宽度和柱轴压比对方钢管混凝土柱-钢梁外加强环节点力学性能的影响.方法采用ABAQUS有限元程序,对方钢管混凝土柱-钢梁外加强环节点进行非线性分析,计算和分析了外环板节点受力的荷载-变形全过程关系曲线.结果给出了有限元计算中钢材和混凝土本构关系模型、钢管及其核心混凝土之间界面模型等确定方法,分析柱端水平荷载-水平位移（P-Δ）骨架曲线,并提出了合理的环板宽度设计建议,理论计算结果与试验结果吻合较好.结论柱轴压比的增大和环板宽度的减小,都会降低节点水平极限承载力;按现有规程设计外加强环是安全可靠的,但环板宽度可按2/3设计就已满足抗震要求的承载力和刚度.     

用截面法求解一般旋转壳体的薄膜应力

用截面法求解壳体薄膜应务的过程是简单而直观的，但该方法一般只用来求解形状简单的球壳或圆柱壳。通过分析表明，把截面法加以改进也可用来求解母线为任意形状壳体的薄膜应力，由于壳体向应力求解过程简单，本文只给出了如何应用截面法求解壳体环向应力，并举例说明了该方法在其它方面的应用。     

月牙形内加强肋压力叉管结构和应力分析

本文论述水电站重要部件之一——国内1974年起研究和使用的月牙形内加强肋压力叉管的结构和整体应力分析。它是由多个锥体和平板组成的复杂的板壳组合结构。迄今,还无法用解析法求得其整体应力分布规律。本文应用有限单元法,用电算求得了结果,並与试验实测数据作了比较。     

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.     

水中双向正交加肋圆柱壳体声辐射的有限元法

水下加肋壳体的结构声问题在水下航行器隐身技术中有更广阔应用。以受谐激励作用的水中双向正交加肋弹性薄圆柱壳为研究对象，考虑介质与结构振动的耦合效应，研究耦合系统的声振问题。解析法求解此类问题存在困难，运用有限元方法计算了双向正交加肋圆柱壳体的声辐射远场声压。算例结果表明：在设置环肋的基础上再加设纵肋，能有效地改善结构的声辐射特性。     

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.     

新的高强度钢环肋圆锥壳破坏载荷的理论分析与实验研究

通过新的高强度钢材环肋圆锥壳模型实验，及采用解析方法分析表明，环肋圆锥壳体破坏的原因是结构相对薄弱处纵剖面上的中面应力所致。并提出用“灰色系统”理论预测破坏载荷的计算方法，建议今后模型实验和现役潜艇的耐压船体寿命估算中可采用这种方法。