水下高速运动不完整壳体屈曲可靠性分析
肋骨倒圆角对水下航行体圆柱壳体影响分析
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Ａｎ Ａｎ ｌｓｓｏ ＵＵＶ’ ｂ Ｆｌｅ ｎ ａｙ ｉ ｎ ｓＲｉ ｉ ｔａ ｄ ｌ
Ｙ ＡＮＧ ｈ ｎ ｉＺ Ｓ ｕ ｑ ， ＨＯＵ ｔｏ， Ｊ Ｙｕａ ＸＵ ｉ
Ａ ｓ ａ ｔ Ｗｈｎｕｉｇｆ ｍ ｌ ｅｉ Ｕ Ｓ（ ｎ ａ ｅ ｎ ｅｓａＶ ｈ ｌ）ｃｌ ｄｉａ ｓｅ ， ｅｕｕｌ ｉ ｏｔ ａｉｇｔｅ ｂｔ ｃ： ｅ ｓ ｒ ｕａｔ ｄｓ ｎＵ Ｖ’ Ｕ ｍ ｎｄ Ｕ ｄ ｒ ｅｉ ｅ ｙｉ ｒ ｌ ｈｌ ｗ ｓａｙｗｔ ｕ ｋ ｒ ｎ ｏ ｏ ｇ ｅ ｃ ｎ ｃ ｌ ｌ ｈ ｔ ｎ ｈ
图 ３ 圆 角前 静 力 分 析 结 果 截 面 图
建立一个 尺 相对于壳体静力分析和屈 曲分析 的灵 敏度分析文件。运行分析文件结束后 ， 圆柱壳体两肋骨 中 间的最大相 当应力与倒 圆角 尺 的大小关系曲线 见图 ５ ；
壳体一阶屈 曲失稳载荷系数和倒 圆角 尺 的大小关系曲线
中图分类号 ：３ ‘文献标识码 ： ０９ Ａ
文章编号 ：Ｘ ６８（ １）２ ０３ — ４ ｌ ｒ ８６２ １０ — ０８ ０ ｌ２— ０
ｌ ｔ ｉａ ｈ ｌ Ｂａ ｅ ｎ Ｆ ｎ ｔ ｅ ｎ ｅｈｏ ｉ ｌ ｃ ＩＳ ｅｌ ｓ ｄ ｏ ｉ ｉ Ｅｌｍｅ ｔＭ ｔ ｄ Ⅱ ｒ ｅ
梯 形肋 骨倒 圆角 Ｒ ＝ ｌ ０ｌｎ时是 １ ．３ Ｐ ， 梯 形 肋 ／ ｌ ４ １２Ｍ ａ在 ８
骨倒圆角 Ｒ ＝ ｌ １ｎｎ时两肋骨之 间壳板上 的最大相 当应 ｌ 力为 １ ．６ Ｐ ， ４ ８２Ｍ ａ并且两肋之间壳板上 的最大相 当应力 ６
随着梯 形肋 骨倒 圆角 尺 的增 大 而 减小 ， 说 明增 大 梯 形 这
以及屈曲稳定Ｊ的 ｝ 影响， 生 通过分析找 出 肋骨倒圆角对水下航行体圆 柱壳体的强度 稳定性影响规律 以方便在水下抗行体 ．
水下管汇可靠性分析及改进措施
水下管汇可靠性分析及改进措施许文虎;郭宏;洪毅;郑利军【摘要】以中国南海某深水气田水下生产系统中东区管汇设计方案为研究目标,使用失效模式、影响和严重度分析方法(FMECA)对水下管汇进行可靠性定性、定量分析,找出系统的薄弱环节.系统的关键单元为生产隔离阀、管线和连接器,其中生产隔离阀失效的危害程度最大,其失效严重度占水下管汇所有失效模式严重度的84.68％;在生产隔离阀的7种失效模式中,危害最大的失效模式为泄漏,占水下管汇所有失效模式严重度的55.13％;造成生产隔离阀泄漏的主要原因是腐蚀、裂缝和材料失效.根据水下管汇可靠性分析结果,提出了改进意见及注意事项,为提高水下管汇系统可靠性提供参考.【期刊名称】《石油矿场机械》【年(卷),期】2016(045)003【总页数】6页(P1-6)【关键词】水下;管汇;可靠性;分析;措施【作者】许文虎;郭宏;洪毅;郑利军【作者单位】中海油研究总院,北京100028;中海油研究总院,北京100028;中海油研究总院,北京100028;中海油研究总院,北京100028【正文语种】中文【中图分类】TE952水下生产系统将采油树、管汇、井口控制系统及其他设备放置在海床上进行油气开采，可以方便地将油气回接到现有的固定或浮式生产装置上，具有经济、高效、适用于不同水深、可应用于恶劣海况等优点[1]，已越来越多地应用于我国南海油气资源的开发。
陆丰油田、流花油田、荔湾气田等南海油气田开发工程中都使用了水下生产系统[2]；随着我国南海油气资源开发水深的不断增加，水下生产系统具有广阔的应用前景。
水下管汇是水下生产系统中重要的设备之一，它起着集输、分配生产液并向井口注水、气、化学药剂等多种作用。
海洋石油开发在深水领域具有高投入、高风险的特点，对水下设备的可靠性有非常高的要求，水下设备的故障或失效会产生巨大的经济损失，并可能造成环境污染等，因此对水下设备(例如水下管汇)进行可靠性分析，保证其具有高可靠度十分重要。
基于 ANSYS Workbench 水下航行器壳体的有限元分析
基于 ANSYS Workbench 水下航行器壳体的有限元分析姜发展;李世芸;师健宏【摘要】By geometric drawing software,it was established that a finite element numerical model of underwater vehicle shell,in the finite element analysis software,the structure stress and modal analysis of the key positions were did to deter-mine the maximum stress of the structure of the underwater vehicle shell and the inherent frequency and related numerical information,designing defects caused by stress concentration and avoiding structure resonance problems,lowing staff work-load and shortening development time,reducing the design and development costs,and at the same time,indicated the direc-tion to the improvement of shell structure,and provided a reliable reference basis for entities.%通过几何制图软件，建立了某水下航行器壳体的有限元数值模型；在有限元分析软件中，对该模型进行了应力及关键部位的模态分析；确定了该水下航行器壳体结构的最大应力和固有频率等相关数值信息，避免结构设计缺陷导致的应力集中及共振问题。
水下高速航行体非定常空化流场数值计算
水下高速航行体非定常空化流场数值计算水下高速航行体非定常空化流场数值计算指的是对水下高速运动的物体在水下运动过程中，由于流体的流动对物体表面造成的压力快速下降，导致局部呈现出气体泡沫的现象，从而影响物体的运动性能。
这一现象被称为空化，对于水下高速航行体的设计和性能评估非常重要。
为了准确计算水下高速航行体的非定常流场，可以采用计算流体力学（CFD）方法。
CFD方法通过数值解非定常三维Navier-Stokes方程组，可以得到物体表面的压力分布、速度分布等流场参数。
首先，需要建立水下高速航行体的几何模型。
可以使用CAD软件绘制物体的外形，然后进行网格生成。
在网格生成过程中，需要控制网格的单元尺寸和网格密度，以保证计算的准确性和效率。
接下来，需要设置流场的边界条件。
由于水下高速航行体在运动过程中，会在物体表面引起空化，因此需要将空化现象考虑在内。
可以将空化区域设置为气泡形状，并设置相应的初始条件和边界条件。
然后，需要选择适当的求解算法和数值模型。
对于水下高速航行体的非定常流场计算，可以采用隐式求解方法和准确的物理模型。
常用的数值算法包括有限体积法和有限元法。
在进行数值计算之前，需要对计算条件进行设定。
包括速度、气泡形状、入射角度等参数设置。
这些参数的选择需要根据实际情况和设计要求进行。
最后，进行数值计算并分析结果。
通过求解流场的非定常Navier-Stokes方程组，可以得到水下高速航行体在不同时间步长下的流场分布。
通过分析和比较这些结果，可以评估物体的空化问题，并进行相关的设计优化。
总之，水下高速航行体的非定常空化流场数值计算是一个复杂的工程问题，需要综合应用多学科的知识和技术。
通过合理的建模和参数设置，以及准确的数值计算方法，可以有效地模拟和分析水下高速航行体的空化流场现象，为相关设计和性能评估提供可靠的数据支持。
基于CFD的水下回转体高速运动阻力预报精度影响研究
中 图 分 类 号 ： Ｕ６６１．３
文 献 标 识 码 ： Ａ
文 章 编 号 ： １６７２—７６４９（２０１６）２—００２２—０５ ｄｏｉ：１０．３４０４／ｊ．ｉＲ ｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｆｏｒｅｃａｓｔ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ
提 出 了更 高要 求 。近 年 来 ，随 着 计 算 机 技 术 的迅 速 发 展 和 普 及 ，计 算 流 体 力 学 （ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆ ｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ，ＣＦＤ）技 术广 泛 运用 于 流 场数 值 模 拟 ，其 良好 的适应 性 和 较 高 的 精 度 ，逐 渐 成 为 流 体 力 学 研 究 的重 要工 具 ，也 为 水 下 回转 体 阻力 研 究 开 辟 了新 的途 径 ，如 何利 用 ＣＦＤ方 法提 高 其 预 报精 度 成 为一
（１．海 军工程 大 学 ，湖 北 武 汉 ４３００３３；２．中国人 民解放 军 ６１１３９部 队 ，北京 １０００８１）
摘 要 ： 水下 回转体高速运 动的阻力精确预报对 潜艇性能研究意义 重大 ，其复 杂的影响因素对预 报精度 提出
了 挑 战 。本 文 基 于 商 业 ＣＦＤ 软 件 Ｆｌｕｅｎｔ，设 计 了 ３种 不 同 网格 数 量 与 ３种 不 同 ｙ＋值 ，共 ９套 网格 ，在 ５种 不 同 的 湍 流
Ｋ ｅｙ ｗ ｏｒｄｓ： ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｓｕｂｍ ａｒｉｎｅ； ｎｕｍ ｅｒｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ；ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌ；ｗａｌｌ Ｙ ＋
０ 引 言
水下 回转 体 运 动 阻 力 的 精 确 预报 对 潜 艇 主 、 附 体 的 线型 优化 和 快速 性 预 报 等方 面 的研 究 具 有 重 要 价 值 ，特 别是 现 在 潜 艇 朝 高 航 速 、大 潜 深 等 强 机 动 方 向发展 ，对 水 下 回转 体 高速 运 动 阻力 的预 报 精 度
高速水下航行器推进系统设计与性能评估
高速水下航行器推进系统设计与性能评估高速水下航行器推进系统设计与性能评估摘要：高速水下航行器是一种能够在水下迅速航行的装置。
它通常用于海底勘探、潜水技术研究、海军作战等领域。
本文主要针对高速水下航行器的推进系统进行设计与性能评估。
引言：高速水下航行器的推进系统是实现其水下航行的关键部分，直接影响其航行速度和性能。
因此，设计一个高效可靠的推进系统对于水下航行器的性能评估具有重要意义。
一、推进器的选择与设计1. 根据航行器的设计要求选择合适的推进器类型，比如螺旋桨、推进喷嘴等。
螺旋桨通常适用于低速水下航行器，而推进喷嘴则适用于高速水下航行器。
2. 根据航行器的尺寸和推进动力要求设计合适的推进器尺寸。
推进器的直径和翼片数目直接影响推进效率和航行速度。
3. 对于高速水下航行器，还需要考虑推进器的材料选择。
一般来说，推进器需要具备高强度、抗腐蚀和耐磨损性能。
二、推进系统的布局与控制1. 推进器的布局应考虑到航行器的水动力学特性，以减小水动力阻力。
布局时可以采用多推进器分布式布置，或者采用旋翼和螺旋桨的联合布局。
2. 推进系统的控制可以通过调整推进器的转速、矢量推力和转向，实现航向控制、深度控制和航速控制等功能。
推进系统的控制也需要考虑到航行器的稳定性和操纵性。
三、推进系统性能评估方法1. 推进系统的性能评估可以通过实验和模拟两种方法进行。
实验可以通过水槽试验或者航行器试航来测试推进系统的性能。
模拟可以通过数值模拟和计算流体力学模拟来评估推进系统的性能。
2. 在性能评估中，可以考虑推进效率、推进力和功耗等指标。
推进效率是指推进力与功耗的比值，推进力是指推进器产生的推力大小，功耗是指推进器所消耗的功率大小。
3. 可以通过改变推进器的参数，比如直径、翼片数目等来评估推进系统的性能。
同时，还可以通过调整推进器的控制参数来评估推进系统的控制性能。
结论：高速水下航行器的推进系统设计与性能评估对于提高其航行速度和操纵性具有重要意义。
球壳屈曲特性试验与理论研究
球壳屈曲特性试验与理论研究张猛;张建;唐文献;王纬波;高杰【摘要】针对不锈钢球壳进行静水压力试验,获得其屈曲载荷及最终失稳模式,并采用三维扫描及无损测厚试验获得的实际三维模型参数建立球壳模型,进行数值仿真分析.通过试验与数值计算结果的对比分析,验证了有限元数值计算的可行性及准确性,该数值仿真方法可作为预测已加工球壳屈曲特性的一种方法.此外,开展不同初始缺陷球壳的屈曲特性分析,认为轴对称初始缺陷可作为耐压球壳的初始预估缺陷,通过对此种缺陷球壳的计算,可预测球壳的极限承载力.【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(032)005【总页数】6页(P627-632)【关键词】球壳;屈曲;静水压力试验;初始缺陷;极限承载力【作者】张猛;张建;唐文献;王纬波;高杰【作者单位】江苏科技大学机械工程学院,镇江212003;江苏科技大学机械工程学院,镇江212003;中国船舶科学研究中心,无锡214082;江苏科技大学机械工程学院,镇江212003;中国船舶科学研究中心,无锡214082;江苏科技大学机械工程学院,镇江212003;江苏省道路载运工具应用新技术重点实验室,镇江212003【正文语种】中文【中图分类】U661.4;TE58国家工信部装备工业司将深海探测装备列为未来十年海洋工程装备的发展方向与重点,要求大力发展载人深潜器、无人潜水器等水下探测装备．耐压壳作为载人潜水器的重要组成部分,起着保障下潜过程中内部设备正常工作和人员安全的作用,其重量占潜水器总重的1/4～1/2[1]．现有深海耐压壳多为球形结构,球形耐压壳的屈曲特性直接影响结构的安全性和经济性,故对其屈曲特性的研究十分关键．壳体屈曲特性通常可以用3种方法进行分析:解析法、试验法和数值法．解析法采用理论公式算出理想结构壳体的屈曲载荷,但很难分析包含几何非线性和材料非线性现象的缺陷壳体屈曲特性,致使计算结果与试验结果相差甚远,且解析法无法计算复杂形状、边界或载荷的壳体屈曲问题．因此,设计中用解析法求出的屈曲载荷通常必须乘以一系列衰减系数来给出壳体最终失稳载荷,例如,CCS2013[2]、GL2009[3]等潜水器规范中对耐压壳的屈曲计算,NASA SP-8007[4]等规范中对柱形壳体、球形壳体的屈曲计算．文献[5]中研究表明,现有规范中的壳体屈曲计算方法偏保守．试验法是研究壳体屈曲特性最为直接的方法,但试验法具有周期长、费用高,需要复杂试验设备等缺点,在前期设计阶段,进行大量的试验研究不可取．数值计算因其成本低、精度高而被广泛使用,当然复杂问题仍然需要数值法和试验法联合研究．基于数值法的壳体屈曲特性研究途径主要包含:线性屈曲分析和非线性屈曲分析．其中,线性屈曲分析无法考虑缺陷影响及非线性特性,仅能分析理想线弹性壳体的屈曲特性,致使计算结果与试验结果相差甚远．非线性屈曲分析则考虑了初始缺陷、材料塑性、结构大变形等因素,已成为壳体屈曲特性研究的主流方法,通过缺陷壳体的几何和材料非线性分析,可直接算出壳体的实际屈曲载荷,无需考虑任何衰减系数[6-7]．数值法已成为研究球形壳体屈曲特性的主流方法．文献[8-9]中采用非线性有限元法,分析了不同壁厚条件下球形钛合金耐压壳的极限强度,并对4个球形耐压壳的缩比模型进行静水压力试验,验证了计算方法的正确性;文献[10-12]中认为对于深海载人潜水器耐压球壳可以直接根据有限元数值法确定其极限强度．但是,由于非线性特性和缺陷对壳体屈曲特性影响非常大,数值法的合理性评估也很少见于公开文献,故合理的球形耐压壳屈曲特性分析方法有待进一步研究．文中对SUS304不锈钢小球进行静水压力试验,且在对试验球壳进行无损测厚试验、三维扫描试验的基础上建立球壳的真实模型,并对其展开数值分析与水压试验结果对比验证;对凹坑缺陷、轴对称缺陷及一阶模态缺陷的球壳模型展开有关规律性的系统有限元分析,得到最接近试验值的缺陷形式．文中研究结果为以后耐压球壳极限承载力的预测评估提供了参考．1 材料与方法以4个不锈钢球壳为试验对象,进行了静水压力试验等一系列的试验,以获得球壳的几何及屈曲特性．并且,通过材料拉伸试验获得了相关材料属性．1.1 试样制作及材料试验为了检测试验的可靠性,加工了4个名义半径为50 mm的球壳进行试验测试,分别命名为1#,2#,3#,4#．每个试验球壳都由2个半球焊接而成,焊接后的焊缝经过了打磨与抛光．每个半球都由304不锈钢板件冲压成型．304不锈钢的材料属性按照GB/T 228-2010的规定由单轴拉伸试验获得．材料拉伸试样为圆柱形不锈钢哑铃试样,横截面直径为10 mm,原始标距为50 mm．使用微机控制电子万能试验机(10 t)进行材料的拉伸试验(图1),获取名义应力σ与名义应变ε关系曲线,并计算出真实应力与塑性应变,用于数值计算．εtrue=ln(1+εn om)(1)σtrue=σnom(1+εnom)(2)(3)式中:εtrue、εnom和εpl分别为真实应变、名义应变和真实塑性应变;σtrue、σnom分别为真实应力和名义应力．图1 304不锈钢拉伸试验Fig.1 Tensile test of 304 stainless steel1.2 试验装置与方法试验球壳需进行无损测厚试验和三维扫描试验,以获得球壳的几何参数．在两个试验之后进行静水压力试验,获得其屈曲特性．静水压力试验设备为本课题组自主研发,压力舱的内径为200 mm, 高为400 mm,使用水作为压力介质,其基本原理如图2．图2 设备原理Fig.2 Equipment principle该试验设备压力源为气液增压泵,采用PLC控制,通过对驱动气源压力的调整,可得到相应的增压后的水压,并可实现对水压的无级调节．压力舱内的水压通过压力传感器(量程:0～10 MPa,精度:±0.1%)实时采集．1.3 试验过程与结果首先,使用超声波测厚仪(精度:±0.001 mm),对1#～4#球壳开展无损测厚试验,如图3．按照设备使用要求进行标定,标定对象为304不锈钢钢板,先使用数显千分尺(精度:±0.001mm)测出钢板厚度,再与无损超声波测厚仪结果对比,两者误差为0.001mm;接着,对4个球壳表面的42个点进行厚度测试,每个点测3次取其均值,这些点分布在球壳的4条经线和10条纬线上,赤道部位为焊缝．试验得出4个球壳的平均厚度分别为0.333、0.352、0.348、0.323 mm．图3 壳厚的测量试验Fig.3 Measurement of shell thickness其次,采用Open Technologies公司的3D扫描仪(精度:±0.01mm),测出1#～4#球壳的真实外轮廓,如图4．由于球壳为不锈钢材料,光洁度很高,首先需要在球壳表面喷洒一薄层显影剂,用以防止反光影响扫描精度．扫描仪对球壳外轮廓进行分片扫描并记录,并把分片扫描数据拼接组合,形成stl格式的三维几何模型,用于球壳的圆度和球度分析,并为理论计算提供相关模型、数据．图4 球壳的三维扫描过程Fig.4 Three-dimensional scanning process of spherical shells三维扫描试验得到的球壳模型,由Geomagic Studio软件进行逆向处理,获得iges 格式文件,然后将逆向处理文件导入UG进行曲面缝合,形成三维几何模型．以球壳的球心为原点,焊缝所在平面为XY平面,沿X或Y方向导出近似圆形的截面图,使用AUTOCAD在圆周上等分80个测量点进行半径测量．根据式(4)求得圆度Rcir:Rcir=Rmax-Rmin(4)式中：Rmax为最大半径;Rmin为最小半径．此外,把三维扫描得到的球壳模型导入三维软件UG,进行表面积与体积的测量．根据球度的计算公式求得球度S(0<S<1):S=d/a(5)式中：d为同体积球体之表面积; a为球体之实际表面积．球壳的圆度与球度如表1,4个试验球壳的平均半径Rave在48.65 mm左右,圆度在0.25～0.33 mm之间,圆度分别约为半径的0.59%、0.65%、0.52%、0.66%．圆度将用于对比缺陷球壳模型的缺陷幅值,以建立等效的缺陷球壳模型;球度是指壳体的形状与球体相似的程度,S值越接近1,其与球体更为接近,可见试验球壳都是十分理想的球体．表1 球壳的圆度和球度Table 1 Out-of-roundness and sphericity of sphericalshells球壳1#2#3#4#Rave/mm48.72448.72748.58948.590Rcir/mm0.2890.3180.2510.322 S0.999 240.999 370.998 220.999 08无损测厚试验和三维扫描试验之后,进行静水压力试验,以获得球壳的屈曲载荷和破坏模式．由于试验对象为不锈钢空心球,在压力舱中的浮力比自身重力高出约4 N,若直接进行压力试验,压力舱盖会对球壳顶部产生扰动力,影响其屈曲特性．为此,使用材质柔软的泡沫网兜包住球壳,并在下端挂上重物,保证球壳悬浮在水中,如图5．图5 静水压力试验Fig.5 Hydrostatic test水压试验结果分别列于表2．图6为试验过程中水压舱内水压变化曲线．由图6可见,水压P从0逐渐增至峰值后急剧下降．水压急剧下降是球壳在屈曲时发生大面积凹坑失稳所造成的．因此,水压曲线的峰值就是球壳的压溃压力,且4个试验球壳都符合这一现象．球壳的压溃压力值列于表2;4个球壳的水压值在2～3 MPa 之间,可见水压试验的可重复性及可靠性．球壳破坏形式如图7,4个球壳都以凹坑形式破坏,凹坑变形幅度增大引起焊缝裂开,致使球壳破坏进水．图6 水压曲线Fig.6 Curves of water pressure图7 球壳破坏形式Fig.7 Collapse shapes of spherical shells2 理论计算及数值分析2.1 理论计算由Zoelly提出的经典屈曲理论用于预测球壳的弹性屈曲值Pcr,如公式6．此公式广泛用于海洋及航空领域,也是船级社球形耐压壳稳定性设计规范的理论基础．(6)式中：E、μ分别为材料的弹性模量和泊松比;t、R分别为球壳的壁厚和半径．表2列出了4个试验球壳的经典屈曲理论公式计算结果,根据Zoelly公式计算的屈曲临界压力在10～12 MPa，而试验得到的球壳压溃压力在2～3 MPa，约占理论计算的1/6～1/3．可见Zolley公式结果偏大,与球壳实际破坏压力有较大差距．这是由于Zolley公式无法考虑球壳的非线性和缺陷等因素,故与实际结果有明显不同．表2 理论与试验结果Table 2 Theoretical and experimental results MPa球壳1#2#3#4#理论计算压力10.96911.50712.04610.185 试验压溃压力2.1382.9332.3222.1702.2 数值模拟为了与水压试验结果进行比较,文中建立了真实的球壳模型,并采用ABAQUS软件的胡长法进行非线性数值分析．首先,将三维扫描得到的球壳表面结构作为球壳模型的壳面,由ANSA软件进行网格划分,4个球壳的网格单元类型为壳单元S4,单元数分别为30 378、32 493、32 079、31 553．为了消除模型的刚性位移,边界条件以3个点限制其六个方向自由度,即在x和z轴相隔90°的位置上取3个节点分别限制2个方向自由度,如图8．结果显示各点约束反力接近0,说明所施加的约束合理,仅限制了模型的刚体位移．并采用弧长法进行求解计算,初始弧长为0.1,最大弧长为0.5．最后,运用ABAQUS/Viewer进行后处理．图8 网格划分和边界条件Fig.8 Mesh and boundary conditions有限元计算结果如表3．从球壳的临界屈曲模式可见,球壳焊缝旁边出现最大位移变化点;并且球壳后屈曲模式,即球壳最终失稳模式,展现出凹坑状的凹陷形式．上述结果与球壳的水压试验结果基本一致,4个试验球壳的压溃形式为焊缝周边出现凹坑凹陷导致焊缝裂开,由此确认非线性有限元数值分析可以准确预测球壳屈曲失稳模式．由计算压力和试验压力比较可得,两者的误差百分比分别为3.1%、9.5%、7.5%、4.3%,可见通过有限元数值计算的临界屈曲载荷十分接近试验压力．因此,这一方面验证了非线性数值分析可准确预测球壳的极限承载能力;另一方面也表明考虑真实几何缺陷的数值分析可以预测球壳的失稳区域和失稳形式．故而在耐压舱的设计阶段采用非线性的数值分析方法是可靠的,可有效缩短设计周期及减少设计费用．表3 球壳屈曲载荷和屈曲模式Table 3 Buckling loads and buckling modes of spherical shells球壳1#2#3#4#计算压力/MPa2.0712.6532.4952.264临界屈曲模式后屈曲失稳模式3 等效缺陷球壳对比分析分别采用凹坑缺陷(GDI)、轴对称缺陷(ASI)与一阶模态缺陷(LBMI)对球壳屈曲特性进行仿真研究,缺陷形式如图9．首先,根据试验得到的平均数据,建立直径为97.3 mm、厚度为0.34 mm理想球壳数值模型,对该模型进行线性屈曲计算,求出一阶屈曲失稳模式,作为一阶模态缺陷;其次,将3类等效几何缺陷作为初始缺陷,引入到理想球壳数值模型中,考虑材料和几何非线性,采用弧长法开展屈曲特性分析．其中,凹坑缺陷和轴对称缺陷形式以图9(a)所示的缺陷截面,分别按Y与X轴旋转而成．单元类型、载荷、边界条件与求解方法前处理方法一致,3种缺陷球壳模型的网格单元数分别为29 876、30 015、29 698．由文献[12]可知：对于局部缺陷(即凹坑缺陷与轴对称缺陷),缺陷范围φ可由临界弧长Lcr确定,故确定缺陷范围φ,而变化缺陷幅值进行数值计算．3种缺陷球壳的缺陷幅值Δ分别取0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35 mm．局部缺陷球壳模型仿真时,需要解决球心距B 变化的问题,球心距B由式(7～9)计算而得．图9 缺陷形状Fig.9 Imperfect shapesα=2arctan((R(1-cos φ)±Δ)/Rsin φ)(7)R1=Rsin φ/sin α(8)(9)式中:Δ为缺陷幅值;R为完美球壳半径;R1为局部缺陷处半径;φ为缺陷处对应于完美球壳半径的圆心角之半,即缺陷范围;α为缺陷处对应于局部半径的圆心角之半．不同初始缺陷球壳的屈曲模式如表4,临界屈曲状态下,3种缺陷球壳都在初始缺陷处出现最大的位移变化;后屈曲模式时,球壳都呈现凹坑凹陷的形式．图10为球壳数值结果与试验结果的比较,在3种缺陷形式中,模态缺陷球壳的计算压力最小,故模态缺陷为最危险的缺陷形式．设计时若以该缺陷为依据将得到最厚的壳体壁厚,因此称为最保守的设计．轴对称缺陷球壳的计算压力最大,若采用该值作为设计依据,将对应最不保守的设计．同时,随着缺陷幅值的逐渐增大,3种缺陷球壳的计算压力值越来越小．此外,4个球壳的真实缺陷幅值在0.25～0.33 mm之间,此时,球壳的试验压力结果都位于3种缺陷球壳的计算压力上方,1#、3#与4#球壳的试验压力与轴对称缺陷球壳的计算压力值十分接近;而2#小球的试验压力与数值计算结果相差较大,主要是由于2#小球的壳厚大于其他小球,也与球壳加工过程存在的各种制造精度问题有关．因此,由上述结果可得,轴对称等效缺陷球壳的有限元分析结果可预测耐压球壳的极限承载力．表4 不同缺陷条件下球壳的屈曲模式(Δ=0.15 mm)Table 4 Bucking modes of spherical shells with different imperfections (Δ=0.15 mm)缺陷形式凹坑缺陷轴对称缺陷模态缺陷临界屈曲模式后屈曲失稳模式图10 缺陷球壳数值结果与试验结果的比较Fig.10 Comparison between numerical and experimental results of spherical shells4 结论(1) 解析法求出的球壳屈曲载荷与试验结果相差非常大,而基于弧长法的数值计算结果与试验结果具有良好一致性,考虑真实形状和厚度的非线性有限元分析可用于分析真实球壳的屈曲特性．(2) 通过3种等效初始几何缺陷的非线性有限元分析表明,模态缺陷条件下球壳屈曲计算结果最为保守,其次是凹坑缺陷,轴对称缺陷计算结果与试验结果最为接近,可有效预测球壳的极限承载力．参考文献(References)【相关文献】[1] ZHANG J, ZUO X L, WANG W B, et al. 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水下薄壁圆柱壳体的结构设计分析
水下薄壁圆柱壳体的结构设计分析发布时间：2022-07-16T08:01:12.498Z 来源：《中国科技信息》2022年第33卷3月5期作者：孙现有1，张希2[导读] 薄壁圆柱壳体结构因具有刚性好、质量轻、容装空间大、工艺性能好等优点，孙现有1，张希2（1. 海装驻广州地区某军事代表室，广东，广州， 510000；2.七五〇试验场，云南，昆明，650051）摘要：薄壁圆柱壳体结构因具有刚性好、质量轻、容装空间大、工艺性能好等优点，被广泛应用在声纳等水下电子设备中。
薄壁壳体的设计需综合考虑结构的密封特性、强度性能、振动特性以及稳定性等因素，针对上述设计问题，本文以多功能搜救声纳壳体为研究对象，基于有限元软件ANSYS Workbench进行水下薄壁圆柱壳体设计分析，并对设计制造的结构进行耐压试验。
仿真以及试验结果表明，所设计壳体满足多功能搜救声纳的使用要求，同时，本文的设计分析方法对类似水下结构件的设计分析与校核具有一定参考价值。
关键词：薄壁圆柱壳体；结构强度设计；模态分析；稳定性分析1 引言薄壁圆柱壳体作为基本结构，广泛应用于飞行器舱段、火箭壳体、航空发动机机匣、水下航行器壳体、石油管道、水下电子设备壳体等航空、航天、航海相关领域[1,2]。
薄壁圆柱壳体比刚度高（刚度与质量之比），具有良好的加工工艺性能以及较大的设备容装空间，声纳等水下电子设备也大量采用了此类壳体结构。
薄壁圆柱壳体作为诸多水下电子设备的关键结构，其密封特性、强度性能、振动特性以及结构稳定性直接影响到设备使用的安全性与可靠性。
目前，采用有限元分析方法进行仿真，对结构评估与优化，可降低多次产品试验的时间、人力和财力的成本，有效提高结构的可靠性。
在可查阅的论文中尚未看到有针对水下薄壁壳体的上述结构设计问题进行全面研究及阐述。
本文针对薄壁圆柱壳体设计问题，以多功能搜救声纳壳体为研究对象，基于有限元软件ANSYS Workbench，建立薄壁圆柱壳体的有限元模型，进行1km水深条件下结构强度分析以及壁厚优化设计，开展振动模态分析，采用特征值屈曲分析方法进行了结构稳定性分析，并对所设计结构进行耐压试验。
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２０ １０年 ３月
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水下 高速 运 动不 完 整壳 体 屈 曲可 靠性 分析
顾 永 维 ，宁庆 坤 ，顾 永 亮
（ ．海洋 石 油 工 程 股份 有 限公 司 ， 津 ３ ０ ５ ； ．中 国核 电 工 程有 限公 司 ， 京 １ ０ ４ ） １ 天 ０４ １ ２ 北 ０ ８０
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Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ：ｆｕ ｄ ｍｅ ｈａ ｉ ｓ ｔｕ ｔ ｒ ｌｒ ｌ ｂ ｌ ｙ；ｂ ｄ ｔｈｉｈ ｓ ｅ ｄ ｍｏｉ ｎ；ｃ ｎ ｃ ｌｓ ｅｌ ｎｉ ａ ｍ— ｌ ｉ ｃ ｎ ｃ ；ｓｒ ｃｕ ａ ｅ ｉ ｉｉ ａ ｔ ｏ ｙ ａ ｇ ｐ ｅ ｔｏ ｏ ｉ ａ ｈ ｌ；ｉ ｔ ｌｉ ｉ
摘要 ： 对有初始 缺 陷的水下高 速运 动 圆锥 壳体 的屈 曲问题 ， 立 了简化 的力 学模 型 。通过 针 建 推导得 出 了理想 情况下 的水下 高速运 动 圆锥 壳体 的屈 曲载荷 ； 并在 此 基 础上确 定 了有 初始 缺 陷情 况下 的屈 曲载荷及 其 与初 始缺 陷之 间的关 系， 而建立 了结构 的安全 余量方 程 ， 到 了结构 的可靠 从 得 性指标及 失效概 率。通过 算例表 明初始缺 陷对结 构 的失效概 率有 明显 的影 响 ， 因此 ， 本文 的分 析具
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有一定 的意义。
关键词 ： 流体 力 学 ； 结构 可靠性 ； 高速 运 动体 ；圆锥 壳；初始 缺 陷；屈 曲
中 图 分 类 号 ： Ｂ １． Ｔ １４ ３ 文 献标志码 ： Ａ 文 章 编 号 ：１０ —０ ３ ２ １ ） ３ ３ ０ ４ ０ ０１ ９ （ ０ ０ ０ － ６ － ０ ０
ｐ ｒｅ ｔ 动 时 ， 水 动力 和 发 动机 推 在 力 等外载 荷作用 下运 动 体结 构 容易 产 生局 部 屈 曲 ， 这 样将直 接影响其 完 成 预定 任 务 的效果 ， 因此 对水 下 高速运动体 的屈 曲及屈 曲可靠性 分析 是十分