一种双层柱形耐压壳极限承载能力数值的计算方法

技术领域

本发明涉及深海工程技术领域，尤其涉及一种双层柱形耐压壳极限承载能力数值的计算方法。

背景技术

潜水器是大洋勘查开发的重要装备，耐压壳是潜水器关键部件和浮力单元，在潜水器下潜过程中耐压壳可以确保内部设备不被破坏以及工作人员的安全，同时提供正浮力。圆柱壳是耐压壳的基础承压单元，具有空间利用率高、水动力学特性好、设计计算方便等优点。

然而，圆柱壳极限承载能力对初始几何缺陷非常敏感，导致安全性下降。而双层圆柱壳可以抵消部分初始缺陷带来的影响，相比于普通单层圆柱壳，双层柱壳承载能力、安全性能显著提升。但是，缺乏有关双层柱形耐压壳极限承载能力的计算分析手段。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中缺乏有关双层柱形耐压壳极限承载能力的计算分析手段的问题提供一种双层柱形耐压壳极限承载能力数值的计算方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种双层柱形耐压壳极限承载能力数值的计算方法，具体包含以下步骤：

步骤1、建立双层柱形壳初始几何模型；

步骤2、建立双层柱形壳有限元模型；

步骤3、定义双层柱形壳的理想弹塑性材料参数；

步骤4、定义双层柱形壳单元模型截面参数；

步骤5、定义双层柱形壳单元模型的边界条件；

步骤6、采用牛顿迭代法进行非线性求解计算；

步骤7、提取双层柱形壳的计算结果。

作为本发明一种双层柱形耐压壳极限承载能力数值的计算方法的进一步优选方案，所述步骤1，建立双层柱形壳初始几何模型，其几何模型是在笛卡尔坐标系下建立的，具体步骤如下：

步骤1.1：在商业软件HYPERMESH中，选择Geom中的nodes，创建坐标为(0,0,0)和(0,0,l)的两个结点；

步骤1.2：选择Geom中的surface，选中圆柱壳，输出半径r，高度l，点击创建，外壳创建完成；

步骤1.3：在右侧Model栏，右击空白处，创建新的component，重新命名，作为内壳，右击选择make current，重复外壳创建过程；

步骤1.4：两端厚板在网格划分完成后，在新的component创建。

作为本发明一种双层柱形耐压壳极限承载能力数值的计算方法的进一步优选方案，所述步骤2，建立双层柱形壳有限元模型，采用四边形为主、三边形为辅的网格单元划分方式，并且周向网格数量不小于

然后采用GAPUNI一维单元连接内外壳一一对应的结点，GAPUNI单元模拟了当接触方向在空间上固定时两个节点之间的接触，可以设置接触方向和初始分离距离；

h＝d+n·(u

其中，h为两结点间距离，d为初始距离，u

作为本发明一种双层柱形耐压壳极限承载能力数值的计算方法的进一步优选方案，所述步骤2具体步骤如下：

2.1:在商业软件HYPERMESH中，

右击外壳component中的make current，点击下方菜单栏2D中的automesh，输入网格尺寸(element size)为

2.2：同样对内壳进行此操作，保证周向、轴向结点数与外壳相同；

2.3：创建两端厚板的component，点击2D中ruled按键，点击node list，两端分别选择内外壳边缘的所有结点，创建两壳间网格；

2.4；选择2D中spline，两端分别选择内壳边缘所有结点创建网格；

2.5：点击Tool中edges按钮，点击黄色方框elems按钮，选择displayed，可以选择全部结点，点击preview equiv寻找重复结点,再点击equivalence合并重复结点；

2.6：创建GAPUNI单元，创建新的component，点击1D中elem types按钮，选择GAP单元类型为GAPUNI，确认后点击1D中spotweld按钮，选择using nodes后点击下方nodes-nodes按钮，接着点击indep后nodes选择外壳所有结点，点击dep后nodes选择内壳所有结点，search tolerance设置为外壳外表面到内壳外表面的距离，点击create；隐藏其他部分，仅显示GAP单元，删除两端面上的GAP单元；

2.7：选择Tool中normal键，分别检查每个component下网格单元的法线方向，有限元模型创建完成。

作为本发明一种双层柱形耐压壳极限承载能力数值的计算方法的进一步优选方案，所述步骤3、定义双层柱形壳的理想弹塑性材料参数，其具体弹塑性材料参数根据标准单轴拉伸试验测得，包括弹性模量、泊松比、屈曲强度；两端厚板仅定义线弹性；

具体步骤如下：

在商业软件ABAQUS的Property模块，输入不锈钢母材的弹塑性参数，其中杨氏模量为E，泊松比为μ，屈服强度为σ

作为本发明一种双层柱形耐压壳极限承载能力数值的计算方法的进一步优选方案，所述步骤4，定义双层柱形壳单元模型截面参数，将外层壳单元外面设为外层壳的外表面，外壳单元厚度设为t

作为本发明一种双层柱形耐压壳极限承载能力数值的计算方法的进一步优选方案，所述步骤4具体步骤如下：

在商业软件ABAQUS的Property模块，导入HYPERMESH的inp文件，建立连续、均匀的壳截面，外壳厚度为t

作为本发明一种双层柱形耐压壳极限承载能力数值的计算方法的进一步优选方案，所述步骤5，定义双层柱形壳单元模型的边界条件，对于双层壳两端厚板，各自选定圆心一点，固定其周向自由度，释放轴向自由度，对于双层柱壳，选定外层壳轴向中心点，释放垂直于该点的法向自由度，固定其余自由度，并对外壳和两端厚板施加均衡载荷；

具体步骤如下：

步骤5.1：在商业软件ABAQUS的Load模块，在双层柱壳模型中，选择X-Y正视图，选择两端中心点，定位自由度：U1＝U2＝0；选择X-Z正视图，选择表面中心点，定位自由度：U1＝U3＝0。

作为本发明一种双层柱形耐压壳极限承载能力数值的计算方法的进一步优选方案，所述步骤6，采用牛顿迭代法进行非线性求解计算，初始载荷增量小于最大载荷的百分之二，最大载荷增量不高于最大载荷的百分之四，最小载荷增量小于最大载荷的万分之一，最大允许增量步数至少150步；具体步骤如下：

在商业软件ABAQUS的Step模块，定义静态、通用隐式分析步，启动非线性选项，初始载荷增量设为0.1，最大载荷增量设为0.3，最小载荷增量设为10-50，最大允许增量步数设为150步。之后在ABAQUS的Job模块，建立分析任务，提交求解计算。

作为本发明一种双层柱形耐压壳极限承载能力数值的计算方法的进一步优选方案，所述步骤7、提取双层柱形壳的计算结果，具体包括：临界载荷随缺陷、间隙值变化的规律；具体步骤如下：在商业软件ABAQUS的Visualization模块，提取各点临界屈曲载荷，得到不同缺陷值下临界载荷曲线和不同间隙值下临界载荷曲线。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明的内外层柱壳网格节点一一对应，使用一维间隙单元，将复杂接触非线性问题转化为简单小滑移模型，提高了计算效率；

2、本发明考虑了几何非线性、材料非线性、边界非线性，采用弧长法进行双层柱形耐压壳极限承载能力非线性屈曲计算，提高了计算精度。

附图说明

图1为本发明的双层柱形耐压壳数值计算方法流程图；

图2为本发明的双层柱形耐压壳的结构示意图；

图3为本发明的双层柱形耐压壳的几何示意图；

图4为本发明的双层柱形耐压壳的有限元模型示意图；

图5为本发明的双层柱形耐压壳的边界条件示意图；

图6为本发明的有限元模型在不同缺陷值下的载荷变化曲线；

图7为本发明的有限元模型在不同间隙值下的载荷变化曲线；

表1为本发明的实施实例的双层柱壳公称尺寸；

表2为本发明的实施实例的不锈钢材料的弹塑性参数；

表3为本发明的实施实例的试验与计算结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种双层柱形耐压壳极限承载能力数值的计算方法，具体包含以下步骤：

步骤1、建立双层柱形壳初始几何模型；

步骤2、建立双层柱形壳有限元模型；

步骤3、定义双层柱形壳的理想弹塑性材料参数；

步骤4、定义双层柱形壳单元模型截面参数；

步骤5、定义双层柱形壳单元模型的边界条件；

步骤6、采用牛顿迭代法进行非线性求解计算；

步骤7、提取双层柱形壳的计算结果。

作为本发明一种双层柱形耐压壳极限承载能力数值的计算方法的进一步优选方案，所述步骤1，建立双层柱形壳初始几何模型，其几何模型是在笛卡尔坐标系下建立的，具体步骤如下：

步骤1.1：在商业软件HYPERMESH中，选择Geom中的nodes，创建坐标为(0,0,0)和(0,0,l)的两个结点；

步骤1.2：选择Geom中的surface，选中圆柱壳，输出半径r，高度l，点击创建，外壳创建完成；

步骤1.3：在右侧Model栏，右击空白处，创建新的component，重新命名，作为内壳，右击选择make current，重复外壳创建过程；

步骤1.4：两端厚板在网格划分完成后，在新的component创建，如图3所示。

作为本发明一种双层柱形耐压壳极限承载能力数值的计算方法的进一步优选方案，所述步骤2，建立双层柱形壳有限元模型，采用四边形为主、三边形为辅的网格单元划分方式，并且周向网格数量不小于

然后采用GAPUNI一维单元连接内外壳一一对应的结点，GAPUNI单元模拟了当接触方向在空间上固定时两个节点之间的接触，可以设置接触方向和初始分离距离。

h＝d+n·(u

其中，h为两结点间距离，d为初始距离，u

具体步骤如下：

2.1:在商业软件HYPERMESH中，

右击外壳component中的make current，点击下方菜单栏2D中的automesh，输入网格尺寸(element size)为

2.2：同样对内壳进行此操作，保证周向、轴向结点数与外壳相同；

2.3：创建两端厚板的component，点击2D中ruled按键，点击node list，两端分别选择内外壳边缘的所有结点，创建两壳间网格；

2.4；选择2D中spline，两端分别选择内壳边缘所有结点创建网格；

2.5：点击Tool中edges按钮，点击黄色方框elems按钮，选择displayed，可以选择全部结点，点击preview equiv寻找重复结点,再点击equivalence合并重复结点；

2.6：创建GAPUNI单元，创建新的component，点击1D中elem types按钮，选择GAP单元类型为GAPUNI，确认后点击1D中spotweld按钮，选择using nodes后点击下方nodes-nodes按钮，接着点击indep后nodes选择外壳所有结点，点击dep后nodes选择内壳所有结点，search tolerance设置为外壳外表面到内壳外表面的距离，点击create；隐藏其他部分，仅显示GAP单元，删除两端面上的GAP单元；

2.7：选择Tool中normal键，分别检查每个component下网格单元的法线方向；如图4所示。

到此有限元模型创建完成。

作为本发明一种双层柱形耐压壳极限承载能力数值的计算方法的进一步优选方案，所述步骤3、定义双层柱形壳的理想弹塑性材料参数，其具体弹塑性材料参数根据标准单轴拉伸试验测得，包括弹性模量、泊松比、屈曲强度。两端厚板仅定义线弹性；

具体步骤如下：

步骤3.1：在商业软件ABAQUS的Property模块，输入不锈钢母材的弹塑性参数，其中杨氏模量为E，泊松比为μ，屈服强度为σ

作为本发明一种双层柱形耐压壳极限承载能力数值的计算方法的进一步优选方案，所述步骤4，定义双层柱形壳单元模型截面参数，将外层壳单元外面设为外层壳的外表面，外壳单元厚度设为t

具体步骤如下：

步骤4.1：在商业软件ABAQUS的Property模块，导入HYPERMESH的inp文件，建立连续、均匀的壳截面，外壳厚度为t

作为本发明一种双层柱形耐压壳极限承载能力数值的计算方法的进一步优选方案，所述步骤5，定义双层柱形壳单元模型的边界条件，对于双层壳两端厚板，各自选定圆心一点，固定其周向自由度，释放轴向自由度，对于双层柱壳，选定外层壳轴向中心点，释放垂直于该点的法向自由度，固定其余自由度，并对外壳和两端厚板施加均衡载荷；

具体步骤如下：

步骤5.1：在商业软件ABAQUS的Load模块，在双层柱壳模型中，选择X-Y正视图，选择两端中心点，定位自由度：U1＝U2＝0；选择X-Z正视图，选择表面中心点，定位自由度：U1＝U3＝0，如图5所示。

作为本发明一种双层柱形耐压壳极限承载能力数值的计算方法的进一步优选方案，所述步骤6，采用牛顿迭代法进行非线性求解计算，初始载荷增量小于最大载荷的百分之二，最大载荷增量不高于最大载荷的百分之四，最小载荷增量小于最大载荷的万分之一，最大允许增量步数至少150步；

具体步骤如下：

步骤6.1：在商业软件ABAQUS的Step模块，定义静态、通用隐式分析步，启动非线性选项，初始载荷增量设为0.1，最大载荷增量设为0.3，最小载荷增量设为10-50，最大允许增量步数设为150步。之后在ABAQUS的Job模块，建立分析任务，提交求解计算。

作为本发明一种双层柱形耐压壳极限承载能力数值的计算方法的进一步优选方案，所述步骤7、提取双层柱形壳的计算结果，具体包括：临界载荷随缺陷、间隙值变化的规律；

具体步骤如下：

在商业软件ABAQUS的Visualization模块，提取各点临界屈曲载荷，得到不同缺陷值下临界载荷曲线如图6所示，和不同间隙值下临界载荷曲线如图7所示。

实施实例

为了验证上述数值计算方法的正确性，根据表1参数，加工了三个不锈钢双层柱壳，经过水压试验，测得屈曲载荷。通过三维扫描仪得到模型，超声波测厚仪测得单层厚度，采用本方法计算，数值结果与实验结果误差较小，可以很好预测双层壳性能。实际测得间隙值约为0.12mm，即图4中0.12to左侧位置，值为8.5MPa左右，考虑存在缺陷，临界载荷进一步下降，与试验值相近，因此数值解可以起到很好的预测作用。试验结果和计算结果如表3所示。

表1

表3

根据图1所示的双层柱形耐压壳数值计算方法流程图，对本发明作进一步的详细阐述。

实施例的双层柱壳的尺寸参数如表1所示，壳体材料为不锈钢，其材料参数如表2所示，结构图如图2所示。具体实施过程采用通用商业计算机辅助工程(CAE)软件HYPERMESH和ABAQUS，进行操作实现，并通过三个实物双层柱壳的水压试验，验证数值方法的正确性。

表2

σ

最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；

其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；

最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。