静水压力下纤维缠绕复合材料壳体耐压因子的优化设计（英文）

基于遗传算法和数值分析一体式优化平台,以设计压力因子为目标函数,结构失稳和材料静强度破坏为约束条件,纤维缠绕策略和铺层方式为变量,对静水压力作用下碳/环氧、硼/环氧和玻璃/环氧等三种复合材料壳体的耐压因子进行优化设计。结果表明,复合材料耐压壳体在深海环境下能够提供充足的正浮力;对于不同的复合材料,最大设计压力受限的因素有所不同,主要受限于结构失稳或材料强度破坏;纤维缠绕策略和铺层方式对设计压力因子具有显著影响。文中最后提出变厚度设计、复合材料肋骨等增强方式,旨在解决结构失稳或材料强度破坏对最大设计压力的限制,研究成果可为复合材料耐压壳体结构设计提供参考。     

耐压圆柱壳体的临界失稳压力预测

临界失稳压力是耐压圆柱壳体结构设计和工程应用的关键参数,本文整合了前人的假设条件,通过微元法推导了圆柱壳失稳的应变—位移几何关系,继而应用静力学法求得了圆柱壳的最小失稳波数及对应的临界失稳压力.建立了同时考虑初始几何缺陷和材料非线性的圆柱壳体屈曲分析数值模型,得到的圆柱壳最小失稳波数与理论计算结果相同,临界失稳压力的数值结果与理论结果基本吻合,两者偏差随圆柱壳长径比的增大而减小.案例分析结果显示,与前人理论模型相比,本文理论模型给出的临界失稳压力更加贴近试验结果,但在圆柱壳长径比为1的情况下,理论计算结果与试验结果有一定的偏差,还有待进一步研究.     

起重机工字型截面梁结构优化设计探讨

通过分析起重运输机械中常用的工字梁截面的破坏形式以及校核强度和稳定性的方法,找出工字梁截面设计中主要的影响因素,从而得到优化设计的理论依据.选择合理的腹板及翼板的宽度和厚度,可以使截面应力均匀分布,进而节约钢材.     

球形大深度潜水器耐压壳体优化设计

文章考虑材料非线性以及初始缺陷的影响,提出了球形缺陷厚壳的非线性稳定性计算公式,其理论结果与实验结果相符,同时文中采用有限元方法验证了该理论公式的正确性;采用理论公式,对缺陷幅值半径比在0.1%～0.5%之间、厚度半径比在5%～9%之间的一系列球形大深度潜水器耐压壳体进行强度和稳定性分析;参考潜艇规范,对球形大深度潜水器耐压壳体进行了优化设计.     

基于聚四氟乙烯的水下航行器壳体优化设计

本文根据某型特种ROV的浮力冗余要求,以ROV最大内部容积为目标函数,相关设计参数为设计变量,建立壳体优化设计模型。利用全局搜索求解器globalsearch和局部寻优求解器fmincon进行求解,优化后的壳体内部容积提高9.46%,相应质量减少为42.38%,满足设计要求。     

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.     

水下爆炸冲击载荷作用下加筋复合材料浸潜壳体结构的动力响应

对加筋复合材料浸潜壳体结构在水下爆炸冲击载荷作用下的动力响应采用LS—DYNA进行了分析,给出沿纵向分布的不同单元的应力时间历程曲线,并给出了位移、应力以及冲击压力波传播云图。     

复合材料圆柱壳的稳定性及其优化设计

本文利用一阶剪切理论和Reddy高阶剪切理论计算了考虑横向剪切变形影响的复合材料层合圆柱壳的线性失稳载荷和几何非线性失稳载荷。分析了壳体的几何参数、铺层数、铺层角、半径厚度比值对失稳临界荷值的影响。在铺层的优化设计中利用随机试验法与可变容差法相结合,探讨了寻求临界荷值最大的铺层角最优化问题,并利用约束非线性混合离散变量优化程度对铺层角为离散值的问题进行了优化。碳纤维环氧树脂圆柱壳模型试验表明本文计算结果是可靠的。     

藕节形耐压壳体强度与稳定性分析及优化设计

结合有限元理论,利用基于试验点的设计方法对藕节形耐压壳体进行优化设计。基于试验点的优化设计的相关理论,利用正交试验设计确定25组试验点。利用参数化建模的方法建立25组试验点对应的藕节形耐压壳体的三维模型。基于有限元理论,利用Workbench对其强度及稳定性进行分析,得到各试验点参数对应的最大应力、临界失稳载荷及壳体质量。根据有限元分析结果,构造最大应力、临界失稳载荷及壳体质量关于球心间距半径比、厚度及切弧角的响应面;利用遗传算法,结合构造的响应面,对藕节形壳体进行优化设计并利用Workbench对其进行校核,验证所设计壳体的安全性。     

承受静水外压作用的圆柱形壳体结构优化设计

加强圆柱壳是最重要的深海耐压结构形式之一,是深海装备和人员安全的基础保障以及设备发挥正常功效的载体.水下的工作深度越深,耐压结构承受的海水外压力越大,对耐压结构的强度与稳定性的要求就越高,迫切需要开展结构优化设计,减轻结构自重,提高有效负载.文中分别采用快速下降算法和遗传算法,在保证耐压结构强度和稳定性以及满足基本加工工艺要求的条件下,进行耐压柱壳结构优化设计,所得计算结果对于耐压结构设计具有指导作用.     

静水压力作用下的圆锥壳强度分析

圆锥壳结构在耐压容器与潜艇耐压壳体设计中被大量使用.文章建立了一种计算静水压力下圆锥壳强度的计算方法,利用幂级数法计算圆锥壳平衡微分方程的通解,通过构造变形函数利用Galekin法确定特解.算例结果表明文中提供的方法与有限元结果相当吻合,文中方法可以推广到轴对称压力作用下环肋圆柱壳结构强度分析.     

球柱组合壳耐压船体结构静水压力试验研究

球柱组合壳结构在船舶与海洋工程领域应用广泛,为考察球柱组合壳结构的力学性能,设计制作了球柱组合壳模型进行静水压力试验,测量其应力。通过对球柱组合壳结构的应力分布规律的研究,得到了球柱组合壳结构的应力与外压力的关系,并验证了球柱组合壳结构的连接处存在应力集中现象,利用试验数据得到了应力集中系数为1.4。     

静水压力对水下环肋圆柱壳输入功率流的影响

研究了考虑静水压力时水下环肋圆柱壳在周向余弦线分布力激励下的输入功率流特性。圆柱壳体和外流场的振动分别由Flügge壳体方程和Helmholtz波动方程描述,静水压力的影响以额外应力的形式计入壳体振动方程当中。探讨了静水压力对输入功率流的影响。结果表明外部静水压力使输入功率流曲线沿频率轴往左移动,即往低频方向移动。静水压力越大,影响越大;周向模态数越大,影响越大。文中结果对水下环肋圆柱壳的振动与噪声控制有一定的指导意义。     

锥壳设计研究

从满足锥壳总体失稳压力条件为主、强度条件为辅的设计观念出发,提出三种锥壳设计方法。描述了三种设计方法的主要设计思想及设计框图,分析对比了分别采用三种设计方法得到的三种设计方案及计算结果。对设计方法2作进一步优化,分析对比了锥段划分的个数及长度对锥壳重量的影响。结果表明,设计方法2计算所得锥壳的舱段失稳欧拉压力与采用有限元方法所得计算结果最为接近,壳板与肋骨的匹配比较好,壳板中面周向应力与肋骨应力发挥比较充分,整个锥壳的重量也最小,是一种较为理想的设计方法。     

考虑流体静压时充液圆柱壳的输入能量流特性

研究了内部流体静压力对充液圆柱壳的受迫振动能量流的影响。静压力作为预应力计入壳体振动方程当中,壳体和流体分别采用Fliigge方程和Helmholtz波动方程。分析了耦合系统在周向线分布余弦载荷下的动态响应.用傅立叶变换和反变换实现空间域与波数域之间的相互转换,采用留数定理求取系统的响应并得到耦合系统的输入能量流。结果表明,周向模态数n=0时,静压力对耦合系统的输入能量流影响很小;n较大时,在中低频下静压力使输入能量流曲线沿频率轴右移,由于输入能量流的的峰值点处的频率对应于频散曲线中各支传播波的截止频率,对应传播波的截止频率升高,高频时则基本无影响。随着静压力以及周向模态数的增大,输入能量流受到的影响程度也增大。     

静压作用下夹芯复合材料圆柱壳失效模式的有限元分析

基于有限元计算软件ABAQUS,对静水压力作用下夹芯复合材料圆柱壳的失效模式进行研究。首先,采用ABAQUS的材料库和单元库,建立高效、精确的夹芯复合材料圆柱壳的仿真计算方法;进而,基于TSAIW理论、Hashin理论和第四强度理论,分别建立表层材料和芯材的强度失效判据;最后,分析跨度/半径比、表层/芯材厚度比、内/外表层厚度比以及铺层角度等因素对圆柱壳失效模式的影响规律,可为夹芯复合材料圆柱壳的结构优化设计提供依据。     

夹层圆柱壳结构的优化设计

针对一种全新的潜艇耐压壳体结构形式——夹层圆柱壳结构形式,借助适用于该种结构形式的解析法计算公式,并选定约束条件进行了优化设计,编写了优化程序;分析了该种结构形式与单层耐压壳体结构形式相比较所存在的利弊;在比较过程中,给出了四个优化算例以及比较结果,通过比较分析得出了这样的结论:对于建造大潜深的潜艇,夹层圆柱壳结构形式是一种可以考虑的结构形式。     

带中间支骨的耐压圆柱壳结构的优化

针对带中间支骨的耐压圆柱壳结构进行优化,采用改进的复合形法并引入裕量的概念对得到最优解时各个约束条件进行分析.数值结果表明:在现有理论公式和结构重量最轻的前提下,保证肋骨稳定性的约束条件是限制结构尺寸的最主要因素.肋骨和中间支骨的结构参数对耐压圆柱壳结构稳定性有较大影响,而壳板厚度和肋骨间距的参数变化只能在一定程度上提高耐压圆柱壳结构稳定性.     

带止屈器的复合材料圆柱壳结构屈曲分析及优化

针对海洋工程上的复合材料圆柱壳结构,基于有限元软件ABAQUS,利用Python语言编程实现参数化建模、屈曲分析以及在后处理中提取屈曲因子。研究复合材料圆柱壳结构在单独受到轴向压力、侧向压力以及两种压力组合作用下止屈器的位置对屈曲极限强度的影响,并利用遗传算法多参数优化的方法对止屈器的位置进行优化,最终找到最优解。研究结果可以为复合材料圆柱壳结构抵抗屈曲失效的优化设计提供参考。