内波作用下组合壳节点性能分析

【摘要】： 海洋内波是由水体的分层结构(如密度稳定层化)而被诱发的一种重力波,其最大振幅出现在海洋内部,并同表面波一样起着重要的力学作用。 前人已有根据海洋内波建立起数学模型,以边界元方法为理论基础,得到了潜体在分层海模式中受到的作用力。本文根据这一结论分析发现,实际内波荷载在潜体表面上分布是不均匀的,同时它的大小亦会随着潜体距离密度跃层的远近而发生变化。本文采用内波频率,密度跃层位于距离海面50米处的内波模型。然后将潜体结构表面划分为480块面积,简化后只需分析潜体的八分之一,即在60块面积上作用不同的压力值,这为后续有限元分析实际内波下结构应力提供数据。 球筒壳组合结构作为潜体一种具有代表性的结构,会随着球壳圆心角度的改变而影响其连接处的应力。已有人对无焊接缺陷球筒壳组合结构的连接处应力进行分析计算,本文在此基础上,以无缺陷焊缝连接情况下的球筒壳为基准,对存在焊缝缺陷的球筒壳进行连接处应力分析,分别对球壳半圆心角度从90°~50°选取了4种模型进行有ANSYS限元分析,得出不同情况下的焊缝截面最大应力及其应力集中系数。 然后在此基础上利用断裂力学对组合壳疲劳损伤寿命进行分析计算,由于潜艇组合壳结构的最大应力发生在焊缝连接处,本文以焊缝截面为计算部位,通过参考前人在组合壳疲劳寿命分析的成果下,选择一种适用于本文所需的潜体组合壳焊接连接处裂纹表面强度因子的计算方法,并对此进行修正,然后进行疲劳损伤寿命计算。 计算分析发现,内波下组合壳体结构焊接连接处节点最大应力及相关的应力集中系数的影响因素有三:第一,结构表面的内波荷载随着潜深的变化而变化;第二,组合壳体焊接连接处应力随圆心角度的改变而改变;第三:焊缝质量等级及其缺陷值不同引起的不同程度的焊接处应力集中。 组合壳结构的疲劳寿命不仅和上述的三点有关,还和建造潜体结构的材料、裂纹形状和其尺寸以及内波的频率等等因素有关。最后综合全文研究成果,得出潜艇组合壳结构表面裂纹应力强度因子和裂纹处应力集中系数的关系,并讨论应力集中对其疲劳损伤寿命的影响。