单壳体潜艇壳体结构损伤后的屈曲分析

摘要

结构稳定性是潜艇结构主要的技术性能之一。我国现役潜艇长期以来借鉴前苏联的经验采用双壳体的结构型式，即外壳加耐压壳。而单壳体潜艇由于在水动力性能和经济性上具有明显的优势已得到越来越多的重视。由于没有外壳的报护，单壳体潜艇比双壳体潜艇更易受到损伤，如碰撞、搁浅、战时的武器命中和爆炸冲击都会导致壳体结构的破损。因为潜艇耐压壳对初始缺陷和屈曲敏感，所以潜艇耐压壳，尤其是有塑性变形的耐压壳的稳定性分析是重要的研究课题。 本文研究了单壳体潜艇的结构形式和具有初始缺陷的壳体的屈曲。但是具有初始缺陷的壳体的屈曲是本文主要的研究内容。 本文中利用有限元软件对环肋圆柱壳和纵横加筋圆柱壳进行了特征值屈曲分析。结果证明纵横加筋圆柱壳比环肋圆柱壳具有更高的临界载荷和更好的稳定性。因此，纵横加筋圆柱壳被建议作为单壳体潜艇的结构形式。 本文利用关于几何缺陷薄壁圆柱壳的卡门—唐纳尔非线性理论和变分法推导了耐压壳的平衡方程和相容方程，给出了耐压壳的应力函数表达式。利用里兹法得到了静水压力作用下的损伤艇体结构的几何非线性临界载荷表达式。 本文基于流动理论和形变理论，给出了潜艇耐压壳处于前屈曲状态时的本构方程。分别介绍了用分段多项式和朗培其一奥斯古特三参数方程拟合应力应变曲线并求切线模量和割线模量的方法。利用关于几何缺陷薄壁圆柱壳的卡门—唐纳尔非线性理论和里兹法给出了静水压力作用下损伤艇体结构的塑性屈曲分析方法。 具有不同初始缺陷幅值的纵横加筋圆柱壳模型被计算。理论计算结果与有限元分析结果被比较。结果显示理论方法是有效和可信的。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1概述

1.2国内外潜艇事故

1.2.1国内潜艇事故

1.2.2国外潜艇事故

1.2.3事故原因分析

1.3国内研究现状

1.4国外研究现状

1.5课题的背景和来源

1.6论文工作要点

第2章潜艇结构形式与损伤方式

2.1概述

2.2潜艇的结构形式

2.2.1潜艇结构形式简介

2.2.2单壳体结构和双壳体结构优缺点

2.2.3传统的潜艇耐压壳结构形式

2.2.4新的潜艇耐压壳结构形式

2.2.5两种耐压壳结构形式的比较

2.3耐压壳结构损伤研究内容

2.4潜艇耐压壳屈曲方式

2.4.1环肋型耐压壳屈曲方式

2.4.2纵横加筋型耐压壳的屈曲方式

2.5本章小结

第3章解析方法分析稳定性

3.1概述

3.2稳定性问题的分类及屈曲准则

3.2.1基本概念

3.2.2稳定性问题的分类

3.2.3屈曲准则

3.3近代稳定性理论简介

3.4坐标的选取

3.5位移函数的选取

3.6具有初始挠度艇体外壳大挠度弹性屈曲分析

3.6.1基本假定

3.6.2基本方程

3.6.3应变能与外力势能

3.6.4变分法求平衡方程和协调方程

3.6.5里兹法求临界载荷表达式

3.7考虑塑性的屈曲分析

3.7.1基本假定

3.7.2基本方程

3.7.3弹塑性屈曲系数

3.7.4割线与切线模量的近似表达式

3.7.5变形协调方程

3.7.6应变能与外力功

3.7.7里兹法求临界载荷表达式

3.8临界载荷确定方法

3.9本章小结

第4章有限元法

4.1概 述

4.2模型的物理描述

4.3线性屈曲分析(特征值分析)

4.3.1理论简介

4.3.2单元选取

4.3.3有限元模型

4.3.4力与边界条件

4.4非线性屈曲分析

4.4.1理论简介

4.4.2单元选取与材料模型

4.4.3有限元模型

4.4.4力与边界条件

4.5分析结果

4.5.1线性屈曲分析结果

4.5.2非线性屈曲分析结果

4.6本章小结

第5章解析法和有限元法比较

5.1概述

5.2解析法算例

5.3解析法与有限元法计算结果比较

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢