玻璃钢快艇结构有限元分析中边界约束条件的初步研究

论文摘要

目前我国的玻璃钢艇产业迅猛发展,伴随玻璃钢艇体材料的日新月异,性能不断提高,设计者为了满足市场审美需要,减轻艇体重量、降低制造成本,正在不断地推出各种新颖的艇体结构形式,从而使得目前有关玻璃钢艇体结构的设计方法不能满足需要。1.研究的意义与目的有限元方法能较好地模拟各种复杂结构并得到较准确的结果,所以用有限元方法来校核玻璃钢艇体强度是目前较佳的选择。然而在船舶领域,船舶结构设计和结构强度的校核过程中,关于钢质船舶的边界约束条件已经有较完整的理论和方法,而对于玻璃钢船舶,由于材料的特性以及结构形式的多种多样,使得满足钢质船舶有限元结构计算的各种约束边界条件不适合玻璃钢艇体结构有限元计算的要求,所以分析研究玻璃钢艇体结构在有限元分析中的边界约束条件就显得十分必要。2.国内外现状和发展趋势在国外,ANSYS在复合材料领域的应用时间要远远早于国内,并且其应用的范围也更加广泛,涉及了复合材料设计的许多方面,其中自然包括玻璃钢材料。应用商业化软件包ANSYS在圆柱坐标经过分析发现采用由玻璃纤维和泡沫夹芯的层压夹层板有利于降低构件重量。1995年,法国的Grando J等人用有限元模拟程序ANSYS对玻璃纤维-环氧树脂复合材料对其进行了研究。1998年,意大利的Buccella C对先进复合材料的二维应力进行了分析,提出隐式求解和显式求解,将两种求解方法的计算结果进行了对比并与应用有限元软件包ANSYS计算的结果进行了对比。2000年,法国的Labed N等人对具有无限边界的双层复合材料结构进行了厚度方向上的优化,并将复合材料视为一维结构。2004年,美国的Prabu SB等人针对SiC的体积分数和纤维直径对6061A1/SiC复合材料界面应力/应变的影响进行了有限元研究。在国内,ANSYS在各个行业的广泛应用,特别是在复合材料领域得到了广泛应用。北京科技大学的康永林等人对树脂复合轻质夹层钢板这种新型复合材料进行了研究,应用ANSYS有限元软件,模拟分析了树脂复合轻质夹层钢板的弯曲成型过程中错动量的分布与变化规律,并对应力、应变和位移在平板截面的分布进行了分析。西北工业大学的马志军等人采用ANSYS有限元分析软件,对SCS-6 SiC/Ti—24A1-1 1Nb玻璃纤维材料的残余热应力进行了数值模拟,重点分析了纤维排布对残余热应力的影响。3、研究的内容1、在研究玻璃钢快艇的基础上,提出了采用层单元处理玻璃钢快艇的层合结构以及夹层结构的方法,对于正确地进行玻璃钢快艇结构强度的直接计算具有实用价值和指导作用。2、研究玻璃钢快艇舱段在不同约束条件下的应力应变情况,计算得出了舱段中相关位置在不同约束条件下的应变情况,对比全船中对应位置的应变情况,讨论两种情况下的差异,评价了对应约束条件的优劣性。4、研究方法本文主要通过试验的方法,选取全艇在中拱载荷状态下,在艇首尾端面中性轴位置施加简支约束所得的数据结果为基础,对比其中某一舱段在相同载荷情况,施加不同边界约束条件所引起的不同结果。通过分析舱段结果数据比较不同约束条件的优劣,进而调整边界约束条件,使得与全艇中的数据尽量相同。5、研究结果本文从工程实际应用出发,以通用有限元分析软件ANSYS为平台,运用参数化分析方法实现了有限元模型的变量分析,并通过不断改变调整其中参数以达到目标结果。此方法实践了有限元模型试验的灵活性和有效性,对后续此型号玻璃钢快艇有限元计算中的边界条件的确定实现具有现实意义。通过对玻璃钢快艇的有限元模型计算的边界约束条件的不断试验,得到如下结论:1、本文运用参数化技术,对改变玻璃钢快艇的材料属性、载荷和边界条件、弹簧单元属性等设计参数进行了具体实践,实现了有限元的参数化建模。2、本文以研究全艇在中拱的相关结果数据为基础,详细分析了舱段在相同荷载情况下,通过改变舱段的边界约束条件,所产生的不同结果数据;通过分析比较这些结果数据,对相应的边界约束条件进行评价,从而得到目标约束条件。

论文目录

• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 课题的提出
• 1.3. 本文的研究内容
• 第2章 玻璃钢材料的力学性能和相关的理论基础
• 2.1 玻璃钢复合材料的基本力学性能
• 2.2 边界条件加载方式的数学模型
• 2.3 模型划分单元时的品质
• 2.4 试验数据与单元计算结构比较
• 2.5 本章小结
• 第3章 快艇全艇在部分工况下的荷载分析
• 3.1 玻璃钢快艇的几何模型
• 3.2 有限元模型的建立
• 3.3 模型坐标系
• 3.4 全艇有限元模型的建立
• 3.5 作用在艇体上的力
• 3.6 滑行艇艇体结构设计计算
• 3.7 全艇模型在中拱荷载状态下的计算分析
• 3.8 全艇有限元模型在中垂荷载状态下的计算分析
• 3.9 本章小结
• 第4章 快艇舱在对应工况（中拱状态）下的荷载分析
• 4.1 舱段的有限元模型
• 4.2 舱段施加固定转角约束（a=0）
• 4.3 舱段施加简支约束（&=0）
• 4.4 端面节面弹性模量减小0.5、1、1.5 个数量级
• 4.5 端面节点弹性模量增加0.5、1.0、1.5 个数量级
• 4.6 舱段增加弹簧单元
• 4.7 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 1.主要研究工作的总结
• 2、研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 摘要
• Abstract