深海耐压结构极限强度有限元分析
摘 要摘 要地球表面70%由海洋覆盖，随着科学技术的发展和陆地资源的开采殆尽，人们逐渐将目光集中于辽阔的海洋，因此各种作业目的的潜水器随着科学技术的进步得以迅猛的发展。由于现代海军的使命需求和深海丰富资源的诱人性，大深度潜水器一直是各国研究的重点，保障大深度潜水器的强度以及稳定性是开发深海潜水器的关键技术之一。本文根据使用情况等多方面的要求，在参考大量文献后，确定了从弹性和塑性两个方面研究耐压壳体结构的极限强度，并将初始缺陷添加到模型中以完善结构的分析过程。对给定模型的特征值屈曲模态和塑性失稳模态进行了分析总结。模型结构有简单到复杂，既具有对比性，也保证了分析的合理性和严谨性。本文选择有限元方法进行分析，利用ABAQUS软件辅助建模分析，得到各个模型的特征值屈曲模态和塑性失稳模态，简单分析了各个模型失稳的成因，得出了模型的极限承载力。得到本文所研究的深海耐压结构的弹性失稳临界载荷为2.347MPa，塑性失稳临界载荷为2.21MPa，塑性失稳模态与弹性失稳模态一致，均属于肋骨间板壳局部失稳。在对上述模型的分析基础上，本文进行了优化设计，得出了较为合理的耐压结构模型和肋骨分布方式，即减小失稳板壳的肋骨间距，得到了新模型的弹性失稳临界载荷为4.06MPa， 塑性失稳临界载荷为3.81MPa。对于完善深海耐压结构的设计建造具有一定的借鉴作用。关键词： 深海；极限强度；耐压结构；有限元Keywords: deep sea; ultimate strength; pressurized structure; finite elemen 目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及研究意义 1
1.2 问题的提出 2
1.3 国内外研究现状 3
1.4 主要研究内容与研究方法 4
1.5 小结 4
第二章 有限元方法简介及压杆稳定性有限元分析 5
2.1 有限元方法简介 5
2.1.1 有限元方法理论基础 5
2.1.2 有限元方法求解思路 5
2.2 压杆稳定的概念及临界载荷的理论分析 5
2.3 压杆稳定性有限元分析 6
2.3.1 模型建立与网格划分 6
2.3.2
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
4
第二章 有限元方法简介及压杆稳定性有限元分析 5
2.1 有限元方法简介 5
2.1.1 有限元方法理论基础 5
2.1.2 有限元方法求解思路 5
2.2 压杆稳定的概念及临界载荷的理论分析 5
2.3 压杆稳定性有限元分析 6
2.3.1 模型建立与网格划分 6
2.3.2 载荷与边界条件 7
2.3.3非线性分析设置 7
2.3.4有限元计算结果分析 8
2.3.5 有限元分析结果与理论公式计算值的比较 9
2.4初挠度对梁极限载荷的影响 9
2.5小结 10
第三章 深海耐压壳结构应力分析及稳定性理论计算方法 11
3.1圆柱壳的弯曲微分方程及其通解 11
3.1.1 基本概念和假设 11
3.1.2 受力分析 12
3.1.3梁带的弯曲微分方程 13
3.1.4微分方程的解 14
3.2 一般环肋圆柱壳的应力计算 16
3.2.1边界条件 16
3.2.2应力和位移计算 17
3.3环肋圆锥壳的应力计算 19
3.3.1 环肋斜圆锥壳的应力计算 19
3.4耐压船体的稳定性计算 20
3.4.1 圆柱壳失稳的几种情况 20
3.4.2 用李兹法推导圆柱壳稳定性公式 21
3.4.3 环肋斜圆锥壳的总稳定性公式 25
3.5 理论临界压力的修正 25
3.6 小结 26
第四章 耐压结构极限强度有限元计算 27
4.1耐压壳体结构极限强度有限元分析方法简介 27
4.2 利用ABAQUS进行耐压壳体结构极限强度分析 28
4.2.1 圆柱壳体极限强度分析 28
4.2.2 环肋圆柱壳体极限强度分析 30
4.2.3柱-锥壳体极限强度分析 32
4.2.4 环肋柱-锥壳体极限强度分析 33
4.3 有限元结果分析对比 37
4.4小结 38
第五章 耐压柱-锥壳结构优化设计研究 39
5.1 耐压柱-锥壳结构优化综述 39
5.2 不同结构的极限承载力有限元分析结果 40
5.2.1 特征值屈曲分析 40
5.2.2 塑性稳定性分析 41
5.3 有限元结果分析对比 42
5.4 小结 43
结 语 44
致 谢 45
参 考 文 献 46
第一章 绪论
1.1 研究背景及研究意义
地球表面70%被海洋覆盖，随着科学技术的发展和陆地资源的持续开发，人们渐渐开始关注浩瀚的海洋。当前人类已勘测的海底只有5%，尚有95%的海底是未知的，因此各类作业目的的潜水器随着科学技术的提高得以迅猛的发展，其中技术较为成熟的就是各式各样的潜艇。
潜艇是各类水下舰艇的总称，按照潜艇的不同特征，潜艇的分类有如下几种：
大型潜艇
排水量
中型潜艇
潜艇 小型潜艇
常规潜艇
动力装置
核潜艇
鱼雷潜艇
武器种类
导弹潜艇
单舰体潜艇
船体结构形式 一个半舰体潜艇
双舰体潜艇
回顾我国自建国以来潜艇的发展历程，从转让制造、仿制到自行研制，再到改进改型和不断的推陈出新，同时也在适时购入外国潜艇，在技术和潜艇数量方面都在逐步缩小与世界先进国家之间的差距。
图1-1 中国潜艇
随着近海开发技术的日益成熟，海上勘测开发逐步向深海区域发展，同时为了增加潜艇的隐蔽性，潜艇的下潜深度不断增加，潜艇需要承受的水压随之增加。研究潜艇的极限强度，有助于优化潜艇的设计，保证其安全性。为了我国海洋经济的发展，维护祖国陆海领土的完整，保障海洋权益和海上生命线安全，研究潜艇的重要性可见一斑。
1.2 问题的提出
耐压结构作为潜艇上最主要的组成部分，随着现代潜艇的下潜深度的增加，其所需要承受的水压力也随之增加。研究深海耐压结构的极限强度并保障其稳定性，是潜艇设计研究工作中的重要组成部分，也是本论文的主要研究对象。
加肋圆柱壳是潜艇耐压船体最常见的结构形式。考虑到船体内部布置的需求, 耐压船体相邻舱段的直径有可能有所不同,不同直径舱段之间的连接就需要用到环肋圆锥壳, 形成加肋柱—锥结合壳。[1]这种结构可以使材料得到充分的利用，并且受力效果比较好。
当潜艇下潜深度增加时，耐压船体的强度和稳定性要求随之提高，为了保证其稳定性，可以从以下几个方面着手
（1）合理增加壳板厚度。
（2）从耐压壳体本身的结构入手，改变环肋加强筋的布置方式和加强筋的尺寸.版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jtgc/cbyhy/345.html
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及研究意义 1
1.2 问题的提出 2
1.3 国内外研究现状 3
1.4 主要研究内容与研究方法 4
1.5 小结 4
第二章 有限元方法简介及压杆稳定性有限元分析 5
2.1 有限元方法简介 5
2.1.1 有限元方法理论基础 5
2.1.2 有限元方法求解思路 5
2.2 压杆稳定的概念及临界载荷的理论分析 5
2.3 压杆稳定性有限元分析 6
2.3.1 模型建立与网格划分 6
2.3.2
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第二章 有限元方法简介及压杆稳定性有限元分析 5
2.1 有限元方法简介 5
2.1.1 有限元方法理论基础 5
2.1.2 有限元方法求解思路 5
2.2 压杆稳定的概念及临界载荷的理论分析 5
2.3 压杆稳定性有限元分析 6
2.3.1 模型建立与网格划分 6
2.3.2 载荷与边界条件 7
2.3.3非线性分析设置 7
2.3.4有限元计算结果分析 8
2.3.5 有限元分析结果与理论公式计算值的比较 9
2.4初挠度对梁极限载荷的影响 9
2.5小结 10
第三章 深海耐压壳结构应力分析及稳定性理论计算方法 11
3.1圆柱壳的弯曲微分方程及其通解 11
3.1.1 基本概念和假设 11
3.1.2 受力分析 12
3.1.3梁带的弯曲微分方程 13
3.1.4微分方程的解 14
3.2 一般环肋圆柱壳的应力计算 16
3.2.1边界条件 16
3.2.2应力和位移计算 17
3.3环肋圆锥壳的应力计算 19
3.3.1 环肋斜圆锥壳的应力计算 19
3.4耐压船体的稳定性计算 20
3.4.1 圆柱壳失稳的几种情况 20
3.4.2 用李兹法推导圆柱壳稳定性公式 21
3.4.3 环肋斜圆锥壳的总稳定性公式 25
3.5 理论临界压力的修正 25
3.6 小结 26
第四章 耐压结构极限强度有限元计算 27
4.1耐压壳体结构极限强度有限元分析方法简介 27
4.2 利用ABAQUS进行耐压壳体结构极限强度分析 28
4.2.1 圆柱壳体极限强度分析 28
4.2.2 环肋圆柱壳体极限强度分析 30
4.2.3柱-锥壳体极限强度分析 32
4.2.4 环肋柱-锥壳体极限强度分析 33
4.3 有限元结果分析对比 37
4.4小结 38
第五章 耐压柱-锥壳结构优化设计研究 39
5.1 耐压柱-锥壳结构优化综述 39
5.2 不同结构的极限承载力有限元分析结果 40
5.2.1 特征值屈曲分析 40
5.2.2 塑性稳定性分析 41
5.3 有限元结果分析对比 42
5.4 小结 43
结 语 44
致 谢 45
参 考 文 献 46
第一章 绪论
1.1 研究背景及研究意义
地球表面70%被海洋覆盖，随着科学技术的发展和陆地资源的持续开发，人们渐渐开始关注浩瀚的海洋。当前人类已勘测的海底只有5%，尚有95%的海底是未知的，因此各类作业目的的潜水器随着科学技术的提高得以迅猛的发展，其中技术较为成熟的就是各式各样的潜艇。
潜艇是各类水下舰艇的总称，按照潜艇的不同特征，潜艇的分类有如下几种：
大型潜艇
排水量
中型潜艇
潜艇 小型潜艇
常规潜艇
动力装置
核潜艇
鱼雷潜艇
武器种类
导弹潜艇
单舰体潜艇
船体结构形式 一个半舰体潜艇
双舰体潜艇
回顾我国自建国以来潜艇的发展历程，从转让制造、仿制到自行研制，再到改进改型和不断的推陈出新，同时也在适时购入外国潜艇，在技术和潜艇数量方面都在逐步缩小与世界先进国家之间的差距。
图1-1 中国潜艇
随着近海开发技术的日益成熟，海上勘测开发逐步向深海区域发展，同时为了增加潜艇的隐蔽性，潜艇的下潜深度不断增加，潜艇需要承受的水压随之增加。研究潜艇的极限强度，有助于优化潜艇的设计，保证其安全性。为了我国海洋经济的发展，维护祖国陆海领土的完整，保障海洋权益和海上生命线安全，研究潜艇的重要性可见一斑。
1.2 问题的提出
耐压结构作为潜艇上最主要的组成部分，随着现代潜艇的下潜深度的增加，其所需要承受的水压力也随之增加。研究深海耐压结构的极限强度并保障其稳定性，是潜艇设计研究工作中的重要组成部分，也是本论文的主要研究对象。
加肋圆柱壳是潜艇耐压船体最常见的结构形式。考虑到船体内部布置的需求, 耐压船体相邻舱段的直径有可能有所不同,不同直径舱段之间的连接就需要用到环肋圆锥壳, 形成加肋柱—锥结合壳。[1]这种结构可以使材料得到充分的利用，并且受力效果比较好。
当潜艇下潜深度增加时，耐压船体的强度和稳定性要求随之提高，为了保证其稳定性，可以从以下几个方面着手
（1）合理增加壳板厚度。
（2）从耐压壳体本身的结构入手，改变环肋加强筋的布置方式和加强筋的尺寸.版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jtgc/cbyhy/345.html
