含局部点蚀损伤球壳的非线性屈曲分析及试验研究

作     者：章建非 

作者单位：江苏科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱永梅

授予年度：2021年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：球壳 屈曲载荷 局部点蚀 随机点蚀 

摘      要：海水的腐蚀性将会给海洋工程装备造成不可避免的腐蚀损伤,海洋腐蚀主要体现在使海洋工程装备的表面出现局部腐蚀,其中由局部区域出现向内部深处入侵的腐蚀称为点蚀。点蚀的出现意味着结构表面的完整度遭到了破坏,这可能会导致机构的变形失灵甚至导致重大的生命财产损失。潜水器耐压壳是人类对深海进行探索的载具,也是深海作业人员与设备的工作环境,更是无数学者和工程师心血的结晶。其中耐压壳的结构主要是球壳,球壳在工作全寿命周期内都处于海洋环境之中,难以避免球壳出现点蚀的状况从而影响球壳的使用安全性的情况,因此需要对含局部点蚀损伤的球壳的极限屈曲载荷进行研究与评估。本文的研究内容和结果如下:(1)设计并加工制造了10个含局部点蚀损伤的304不锈钢球壳试件,通过静水压力试验获取了试件在发生屈曲时的载荷,试验结果表明:在局部点蚀数量与点蚀分布区域相同的情况下,随机分布的点蚀相比均匀分布的点蚀更具破坏性;点蚀数量更少的球壳会因为点蚀分布区域的影响而具有更低极限屈曲载荷;相同的点蚀数量下,更小的点蚀分布区域对球壳的破坏性最大;点蚀分布在飞溅区的球壳其极限屈曲载荷大于局部点蚀呈30°×30°分布的球壳而小于局部点蚀呈45°×45°分布的球壳。(2)根据试件球壳的实际尺寸为模型建立含局部点蚀损伤球壳的有限元模型,根据实际情况选择划分网格类型,通过控制变量的方法对网格的尺寸进行选择,并与试验结果比对,确定了全局种子近似单元尺寸为球壳外径D的1/100,局部种子近似尺寸不超过点蚀深度t,在对局部种子设置时采用更小的最大偏离因子的网格方案。通过有限元法研究了点蚀形态参数对含局部点蚀损伤球壳极限屈曲载荷的影响,发现在点蚀凹坑体积和深度相同的情况下,点蚀的形态参数不会对球壳的极限屈曲载荷造成明显的影响;而点蚀凹坑的直径与深度会对球壳的极限屈曲载荷造成显著的影响;点蚀的分布区域也将对含局部点蚀损伤球壳的极限屈曲载荷造成明显的影响,当点蚀呈正方形分布时,是对球壳结构强度破坏最大的一种分布。此外,点蚀会削弱球壳初始几何缺陷对球壳极限屈曲载荷的影响,在厚壳的范畴内,初始几何缺陷对含局部点蚀损伤球壳的屈曲行为几乎没有影响。(3)通过对Abaqus软件的二次开发,建立了一种含随机点蚀损伤球壳的非线性数值计算方法。结合上文的研究提出了点蚀深度t与截面损伤率A两个用于描述含随机点蚀损伤球壳剩余极限屈曲载荷的参数,通过非线性有限元分析发现球壳的极限屈曲载荷随着深度t的增加而呈现近似于线性下降的趋势;在截面损伤率A的下降至大约55%时,球壳极限屈曲载荷随A变化的曲线近似于反比例函数图像,而在截面损伤率A大于55%小于65%的阶段,球壳极限屈曲载荷随A变化的曲线近似于抛物线函数。利用非线性有限元计算的结果,使用多项式拟合法与傅里叶拟合法拟合出含随机点蚀球壳极限屈曲载荷的预测函数,并对拟合结果进行了比对,综合考虑了拟合的精度与计算效率,选择了三次多项式法拟合的公式作为预测函数。(4)基于BP神经网络建立了对含随机点蚀损伤球壳极限屈曲载荷进行预测的预测模型,并将非线性有限元数值结果作为测试集测试预测模型与预测函数的预测效果,经过预测效果比对,发现预测函数与预测模型都具备不错的预测效果。