基于可靠度深海浮式平台加筋板优化设计方法

加筋板是深海浮式平台的主要组成部分,其设计的合理性直接关系到平台整体经济性和安全性,提出一种基于可靠度的加筋板优化设计方法。首先,分析深海浮式平台加筋板的失效模式,得到其极限状态方程,以此为基础采用验算点法计算可靠度指标值,将该可靠度指标值作为结构优化设计的控制参数,得到加筋板的优化设计数学模型。然后,根据可靠度指标值在标准正态空间中的几何意义,推导出其对基本随机变量灵敏度分析的计算表达式,以之作为导数信息,构建出寻找设计最优点的迭代计算公式。以某张力腿平台浮筒部分某加筋板为例,用该算法对其进行基于可靠度的优化设计。计算结果表明,与传统约束优化方法相比,该算法在计算效率和收敛性上具有明显优势。     

面板局部屈曲的船体双层板架整体屈曲分析

首先应用von-Kurman大挠度薄板方程，对有初挠度的船体板进行后屈曲特性分析，以此为基础，导出屈曲后板的减缩有效宽度，进而用减综有效宽度作为双层板架中受压纵杵的带板宽度，将双层板架模型化为四边弹性转角约束的正交异性板，考虑横向剪切变形的影响，提出了一种求解双层板架临界应力的方法。     

加筋板极限强度数值计算影响因素及敏感分析

船用加筋板极限强的有限元计算方法应用广泛,但其计算方法具有一定的不稳定性,计算结果受多种因素的影响。本文针对加筋板有限元计算方法的不稳定性进行研究,通过将有限元计算结果与其他学者的研究成果进行对比,验证了本文所采用的有限元方法的可靠性,然后针对加筋板材料、边界条件、网格密度、初始缺陷等几种因素的敏感性进行了具体的研究,发现使用材料的理想应力应变关系得到的计算结果偏于危险,且误差最大可达到17%左右,网格的形状和疏密程度对结果均有影响,边界条件若不考虑横向加强构件的作用,所得计算结果不准确,初始缺陷对有限元结果影响复杂,需要根据加筋板的实际缺陷选取适合的屈曲模态。     

加筋板的轴压强度受加筋随机点蚀的影响研究

船舶与海洋结构在服役期间会遭受电化学和微生物侵蚀等多种腐蚀环境影响,加筋板作为此类结构的主要受力构件,其表面易产生不规则形态的点蚀,引起构件的强度退化。利用ANSYS有限元软件构建加筋腹板遭受随机点蚀损伤的加筋板有限元模型,研究带板长宽比、带板长细比、加筋长细比和腐蚀体积损失率对加筋板极限强度的影响。研究结果表明,加筋遭受同等腐蚀体积损失率下,带板长宽比变化对极限强度退化的影响很小,但带板长细比和加筋长细比变化产生的影响明显;带板长细比越大,极限强度退化越严重,而加筋长细比越大,极限强度退化反而越小。针对文中研究的加筋板,当加筋长细比为 0.2时,腐蚀体积率为14%的随机点蚀导致结构极限强度退化程度达到约14.0%。因此,加筋的随机点蚀损伤会显著削弱加筋板结构的极限强度,其影响不可忽略。     

基于拓扑优化方法的舱体筋板设计

耐压舱体是水下系统不可或缺的一部分,既要承载内部设备,又要承受外部压力,其强度至关重要。当舱体的加强筋板并非环肋时,筋板的设计只能凭设计师的经验完成,再进行仿真验证,这大幅增加了研发成本。采用基于 SIMP 插值的变密度拓扑优化方法,求解了耐压舱体在外压作用下的传力路径,并以此为依据优化了舱壁上加强筋的布置。经计算,优化后的舱体模型最大应力减小到了材料的许用范围内,并且变形量大幅减小,说明该拓扑优化方法在筋板设计上具有一定的指导意义。     

大型全钛海洋资料浮标结构强度有限元分析

为了分析校核全钛海洋资料浮标的整体结构及拖曳强度,本文依据相关标准规范计算了全钛海洋资料浮标作业工况和极限工况下所受的风、浪、砰击载荷,利用有限元方法对全钛海洋资料浮标进行了整体及拖曳强度计算分析。依次分别计算浮标结构为8 mm板厚和6 mm板厚两种方案的应力,并对照《海上浮式装置入级规范（2014）》进行了应力衡准。研究结果表明：无论采用8 mm的板厚还是6 mm的板厚,浮标结构强度及稳定性满足规范要求。在满足强度要求的前提下,使用6 mm板厚方案更具有经济性,也有利于提高浮标的设备承载能力。     

加筋板轮印载荷分布特性的试验与数值分析

轮印载荷的分布对于直升机甲板加筋板结构的设计至关重要。通过在橡胶块上加压的方式模拟轮印载荷,直接测量橡胶块与加筋板结构之间的接触压力,揭示轮印载荷分布特性,得到轮印载荷在加强筋和铺板之间的分布具有较强的不均匀性。利用ABAQUS软件进行轮印载荷分布的数值计算,结果表明,数值计算结果与试验结果吻合较好,试验工况下分布在加强筋上均布轮印载荷为接触面上均布轮印载荷的1.279倍。研究了加筋板面板初始缺陷、加强筋高度以及加筋板面板厚度对轮印载荷分布的影响。数值结果表明:考虑面板初始缺陷、降低面板厚度和增加加强筋的高度使轮印载荷分配到加强筋上的比例增大,但在相对刚度变化相同的情况下,降低面板厚度和增加加强筋高度对轮印载荷分布的影响不同。     

受轴向压力开孔板极限强度有限元分析研究

使用有限元方法对不同边界条件下受轴向压力的多种类型开孔板的极限强度进行了研究。考虑到板的极限强度所涉及的非线性问题,运用ABAQUS/Standard弹塑性大挠度分析来求解极限强度。在计算了系列不同开孔位置及开孔大小的板的屈曲强度后,分析了各种边界条件及开孔形式对开孔板的极限强度的影响程度。最后在得到规律的基础上提出了适用于一定边界条件下的经验公式,可以在初步设计中用于估算开孔板的极限强度值。     

大型导管架吊点分步离散优化设计

导管架吊点的设计是关系导管架起吊安全的重要环节.针对大型导管架吊点结构特点,利用有限元法和优化技术,提出了分步离散优化设计方法.在建立吊点有限元模型和给定边界条件的基础上,按线性静力分析,将吊点设计分为选型和板厚优化两个步骤.在吊点选型过程中,以最少板数为优化目标;在吊点板厚优化过程中,以综合最小板厚为优化目标.该方法不仅是大型导管架吊点优化设计的通用有效方法,而且同样适用于其它类似的工程问题.     

超大型风电作业船桩腿稳定性的理论研究和数值分析

大型风电作业船桩腿拥有超长的特点,在复杂多变的波浪流载荷及船体共同作用下,其屈曲失稳现象将更为显著。文中探讨了桩腿屈曲稳定的理论依据及其数值分析算法,研究并对比了理论公式和数值分析这两种方法在工程适用性方面的差异,通过算例分析了影响桩腿稳定性的因素。研究结果表明:桩腿临界载荷的理论解超出数值解19.6%,理论公式在工程计算中显得更为保守,适用性不强;插销定位孔的直径的增大会降低桩腿的临界载荷;主板厚度的改变也会引起桩腿稳定性能的变化。因此在桩腿建造过程中,精确计算定位孔的开孔半径和主板厚度是十分必要的。     

Elastic lateral-torsional buckling analysis of permanent means of access structure

International Maritime Organization (IMO) adopted a new regulation to request permanent means of access (PMA) for a regular inspection of ship structure. Horizontal platforms for an inspector to walk on should be provided at specified locations. The platform is attached perpendicular to longitudinal bulkheads or side shell like a common longitudinal stiffener. Since the platform is much wider than ordinary stiffeners, a mid-flat-bar is welded in the middle of the platform. The wide platform (i.e. the tall web plate) makes PMA structure prone to lateral torsional buckling prior to overall flexural Euler buckling subjected to axial compression. This study employs the Rayleigh-Ritz method to treat the elastic lateral-torsional buckling of the PMA structure. The deformation of the cross-section can be expressed using six independant parameters. Compared to the previous research for an ordinary stiffened plate (Hughes and Ma, 1996a), two additional parameters are employed to model the deformation of the mid flat bar. This study also proposes a new strain distribution of lateral bending introducing two respective neutral axes for the flange and the mid-flat-bar. Two mathematical models are developed for two cases; one without associated plating, and the other with both the plating and its rotational restraint. In the former, the coupling between the lateral torsional buckling (“tripping”) and the Euler buckling is investigated. In the latter, a plate rotational spring constant is suggested based on extended deformed shape of the plating. For each model, the validity of the proposed method is verified by a comparison with a number of linear buckling analyses carried out using the NASTRAN finite-element program.     

船舶管线隔振支座布局几何优化设计方法

海洋工程船舶管线隔振支座布局直接影响到管线整体的结构性能和经济性。在船舶管线隔振支座布局优化规范设计法的基础上,进一步提出了隔振支座布局几何优化设计模型与方法。该方法假定支座总数目,采用迭代优化算法求解,通过确定各支座的几何位置坐标实现布局优化。该迭代算法依据约束条件的满足情况及变步长的临界间距值来确定支座数量的减少与增加,最终得到较优的支座数目及间距。以应用于某舰艇的二维管道为例,用该方法对其隔振支座布局进行优化设计,并将不同目标函数下的优化结果同规范设计法所得结果进行了对比。比较结果表明,该模型与方法具有较好的可行性与稳定性。     

Analysis on Buckling Performance of Submarine Pipelines During Deepwater Pipe-Laying Operation

Pipes inevitably encounter high ambient pressure and bending moment during the deepwater pipe-laying process,which can lead to elliptical buckling and even deterioration failure.For the safety of pipe-laying operation,available formalas for the pipe stability are established on the basis of the assumption of uniform deformation along the tube length and symmetrical buckling.This method can predict the nonlinear rcsponse of elliptical collapse of steel circular tubes for different ratios of diameter to thickness (D/t) under pure bending or combined bending and external pressure.In these formulas,the strain-displacement relationship is deduced from the nonlinear ring theory,and the Ramberg-Osgood constitutive model is applied to simulate the inelastic material behavior.Meanwhile,the principle of virtual work is adopted to derive the equilibrium equations.A set of equations is solved by the Newton-Raphson method,and the iterative scheme contains nested iteration for the constitutive relation.In order to check the effectiveness of this theoretical method,illustrative examples are presented in this paper.Besides,the numerical simulation is carried out by use of ANSYS.A comparison of the results shows that the theoretical method can provide reasonable prediction for engineering practice.     

载人潜水器圆柱形耐压壳体的优化设计研究

采用分枝定界法和序列二次规划方法,对载人潜水器圆柱形耐压壳体的重量最小化进行了研究.设计变量是壳板的厚度、肋骨的型号、间距和数量,讨论了下潜深度、材料几何参数对重量以及其它特征量的影响.算例计算表明,下潜深度越大,屈服极限越高的材料重量减轻越明显.对于大深度而言,选用高屈服极限材料,可以使得材料能够充分利用.文中还对结构重量占排水量比例随深度变化的情况进行了研究.     

Optimum design of metallic corrugated core sandwich panels subjected to blast loads

Recently, the naval industry has continued to develop innovative lightweight structural concepts with the purpose of seeking alternative replacements for conventional plate–beam metallic structures in selected areas of ships. This study investigated the optimum design of metallic corrugated core sandwich panels subjected to blast loads by using a combined algorithm, the Feasible Direction Method (FDM) coupled with the Backtrack Program Method (BPM), in which the corrugation leg, corrugation angle, face sheet thickness, core thickness and corrugation pitch are selected as design variables, and the axial compression, bending and buckling constraints and the side constraints of the manufacturing limitations on the sizes are considered. A corrugated core sandwich panel model in the combatant deckhouse of a naval ship is adopted in the optimum study. The results show that the corrugation leg, corrugation angle and core thickness are most important for the core component, and that the corrugation leg and face sheet thickness are most important for the face sheet component. The significance of the design varibles is discussed in detail. Optimization results may provide a useful reference for designers.     

基于多尺度有限元的海上升压站脚靴式桩套筒连接结构分析研究

脚靴式海上升压站导管架的桩套筒与主导管的连接结构是关键荷载传递部位。整体梁系有限元模型无法反应局部板型结构的失效状态;截断板系有限元模型则受制于边界条件的合理性,结果不够精确。文中基于某工程海上升压站,建立不同精细化范围的多尺度有限元模型及不同边界条件的截断模型,对结构屈服失效及屈曲失效复核的同时论证了局部网格对计算精细程度的影响及截断模型对边界条件的敏感性;此外,研究了轭板板厚及应力比对屈曲失效的敏感程度,为今后海上升压站脚靴结构不同阶段的设计、优化提供参考和借鉴。     

Dynamic Buckling of Elasto-Plastic Cylindrical Shells Under Axial Fluid-Solid Impact Load

- The dynamic buckling of elasto-plastic cylindrical shells under axial fluid-solid impact is investigated theoretically. A simplified liquid- gas- structure model is given to approximately imitate the problem. The basic equation of the structure is derived from a minimum principle in dynamics of elasto-plastic continua at finite deformation, and the flow theory of plasticity is employed. The liquid is incompressible and the gas is compressed adiabatically. A number of numerical results are presented and the characteristics of the buckling behavior under fluid-solid impact are illustrated.     

循环载荷作用下损伤船体梁极限强度研究

为了研究循环载荷作用下扶强材初始损伤对其极限强度的影响,进行了14组扶强材的循环加载试验和分析。构造了考虑材料累积损伤完整、断筋和大变形的扶强材单元极限承载力计算公式,提出了相应循环载荷作用下损伤扶强材单元的端缩曲线表达式和船体梁极限强度计算的简化逐步破坏法。编制了循环载荷作用下船体梁损伤极限强度计算程序,进行了船体梁极限强度计算,并与有限元结果进行对比。研究结果表明：改进的损伤扶强材模型可较为准确地描述扶强材材料损伤的完整、断筋和大变形的极限承载力退化情况,扶强材腹板断裂的损伤相较初始大变形及材料累积损伤形式承载力下降程度更明显;所提出的循环载荷作用下损伤船体梁极限强度计算的简化逐步迭代方法,能定量地计算扶强材在不同类型损伤下的极限承载力退化程度,具有较高精度,方便易行,可应用于工程设计。     

整体式止屈器数值模拟方法与优化研究

海底管道是海洋石油主要的运输方式，但海底管道在外部静水压力作用下很可能发生局部屈曲压溃，造成灾难性后果。安装止屈器可有效阻止屈曲传播，保证管道安全，整体式止屈器在实际中应用最为广泛。整体式止屈器存在通过减小止屈器体积以节约成本进行优化的可能性，因此，在保证止屈器止屈效果的前提下，可通过减小止屈器的体积，以达到减轻重量、节约成本、减少安装难度等多种目的。研究过程中使用ABAQUS进行模型的仿真模拟，比较了广义弧长法的优缺点，决定选用更方便的静水流体单元法，计算得到不同止屈器的穿越压力以及相应的体积，对比各止屈器的穿越压力变化和体积变化，实现结构优化的目标。基于以上研究，可以得出减少止屈器体积的结构优化方案具有可行性的结论。     

后挖沟深度对深海海底管道屈曲影响数值分析

鉴于海底管道的服役水深越来越深,主要采用犁式挖沟机对预铺设于海床之上的海底管道采取后挖沟的方式将海底管道埋设于海床之下,以保护其免受不必要的损伤。针对后挖沟深度H是海底挖沟机的重要设计参数,也是影响管道悬跨的重要因素的问题,对SMD(UK)犁式挖沟机展开参数优化,确保作业过程中悬跨段管道在外部静水压力作用下,海底管道不会发生屈曲破坏。采用ABAQUS软件,分别建立了作业前和作业中两种工况下的悬跨模型,分析机械手对接触部分管道的损伤,结果显示,作业中的机械手对悬跨管道的损伤更大;同时,建立了作业中不同管径下,后挖沟深度对管道损伤的安全裕量关系曲线。进一步,结合作业中不同挖沟深度下的管跨段屈曲数值模型,对处于外部静水压力作用下的悬跨管的屈曲失效展开分析,结果显示,随着后挖沟深度的加大,不同管径下的悬跨段管道局部出现塑性压溃的临界压力值不断降低;管道外径的增大,降低了同一后挖沟深度下发生屈曲失效的压力值。最后,在后挖沟深度与外部静水压力组成的区域内,建立屈曲失效临界关系曲线,并划分出工作区和压溃区,为深海管道后挖沟埋管的施工提供工程参考。