航行体出水过程主承力舱段结构动力稳定性与优化设计研究

摘要

通常来说，航行体水下发射包含出筒、水中航行、出水等过程。由于水、空气性质的巨大差异、出水过程中环境的突变、空泡的溃灭以及流场的冲击，导致航行体的主承力舱段结构受到强烈出水冲击载荷的作用，主承力舱段容易发生动力屈曲丧失承载能力并发生破坏。
　　本文首先给出了航行体水下航行过程、出水载荷的形成机理以及主承力舱段的主体加筋圆柱壳结构的动力屈曲相关研究及其判别标准。在此基础上，计算航行体出水载荷，研究出水载荷作用下加筋圆柱壳动力稳定性，开展主承力舱段结构的轻量化设计。
　　首先，建立航行体缩比模型，通过耦合的欧拉-拉格朗日(CEL)方法模拟航行体出水过程，分析出水载荷随时间的变化规律。通过分析航行体典型截面上的出水载荷，得到出水过程中航行体上出水载荷的空间分布规律，并分析了出水速度对出水载荷的影响。
　　其次，将主承力舱段结构简化为网格加筋圆柱壳，考察在出水载荷作用下加筋圆柱壳的动力稳定性。应用特征值屈曲分析、弧长法、显示动力学分析研究在加筋圆柱壳的稳定性，通过B-R准则判别加筋圆柱壳临界动力屈曲载荷，然后分析了动力失稳后结构的破坏模式。同时，对于具有初始几何缺陷的加筋圆柱壳，基于一阶特征值屈曲模态缺陷法与混合阶特征值屈曲模态缺陷法研究了结构的缺陷敏感性，并对两种方法的计算结果进行对比分析。
　　再次，针对出水环境的复杂导致的载荷不规则性，本论文分别考察载荷时间特性、载荷形式、载荷空间特性对加筋圆柱壳结构动力稳定性的影响，确定了各类工况下结构临界屈曲载荷，材料屈服及结构破坏规律。
　　最后，基于相似位移场理论将临界屈曲动载荷等效转化为静载荷，该方法保证了加筋圆柱壳在静载荷作用下位移场与临界动力屈曲状态一致。以加筋圆柱壳在等效静载荷作用下具有稳定性为前提，通过粒子群算法(PSO)对加筋圆柱壳尺寸参数优化，实现加筋圆柱壳的轻量化。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景及意义

1．2．1理论研究

1．2．2实验研究

1．2．3数值研究

1．3加筋圆柱壳动力稳定性概述

1．3．1动力屈曲问题的特点及判别标准

1．3．2加筋圆柱壳动力屈曲国内外研究进展

1．4论文主要研究内容

第2章航行体出水载荷数值研究

2．1引言

2．2．1控制方程及耦合计算

2．2．2材料及接触的定义

2．2．3 CEL方法适用性分析

2．3垂直出水算例验证

2．3．1有限元模型

2．3．2计算结果分析

2．4航行体垂直出水载荷特性分析

2．4．1有限元模型

2．4．2出水载荷规律分析

2．5本章小结

第3章出水载荷下航行体主承力舱段结构动力稳定性研究

3．1引言

3．2航行体主承力舱段有限元计算理论及模型

3．2．1有限元计算方法

3．2．2 B-R动力屈曲准则适用性分析

3．2．3几何模型

3．2．4简化等效设置

3．2．5本构关系

3．2．6网格单元设置

3．2．7载荷施加

3．3出水载荷下主承力舱段结构承载力分析

3．3．1结构静力承载性能分析

3．3．2结构动力失稳及破坏模式

3．4具有初始几何缺陷的主承力舱段结构承载能力分析

3．4．1初始几何缺陷

3．4．2不同缺陷形式敏感性分析

3．5本章小结

第4章出水载荷特性对主承力舱段结构动力失稳的影响规律

4．1引言

4．2出水载荷时间特性对动力失稳的影响规律

4．2．1不同加载时间下结构动力屈曲分类

4．2．2不同脉宽载荷下结构临界失稳规律分析

4．3出水载荷形式对动力失稳的影响规律

4．3．1载荷形式分类

4．3．2不同形式载荷下临界失稳规律分析

4．4出水载荷空间特性对动力失稳的影响规律

4．4．1载荷空间分布形式

4．4．2不同空间分布载荷下临界失稳规律分析

4．5本章小结

第5章基于动-静载荷等效的加筋圆柱壳优化设计方法

5．1引言

5．2基于动-静载荷等效的加筋圆柱壳优化设计流程

5．2．1优化设计流程总述

5．2．2临界屈曲动载荷向静载荷等效转换

5．2．3加筋圆柱壳结构尺寸优化设计

5．2．4粒子群优化算法的应用及优势

5．3算例分析

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