﻿ 非对称围壁加强对耐压圆柱壳孔口应力影响分析
 舰船科学技术  2020, Vol. 42 Issue (2): 38-42 PDF

The analysis of structures with strengthened method for the openings of external pressure hull
ZHANG Fan-chen, HE Wei-ping, MA Jian-jun
Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430061, China
Abstract: It is necessary the use asymmetric bulkhead for the strengthen the opening on the cylindrical hull. This paper presents the numerical analysis results using FEM method based on the FEM model of asymmetric bulkhead on cylindrical hull. During the simulation, the heights of asymmetric bulkhead on cylindrical hull were changed and the stresses of the opening on the cylindrical hull were studied. The variations of concentration of the stress for different heights of asymmetric bulkhead on cylindrical hull were investigated. The comparisons between symmetric and asymmetric bulkhead on cylindrical hull show that the proper design methods for asymmetric bulkhead on cylindrical hull could be helpful for future design with similar structures.
Key words: cylindrical shell with opening     asymmetric hole strengthening     strength of opening
0 引　言

1 数学模型 1.1 几何模型

 图 1 圆柱壳几何模型 Fig. 1 Geometric model of cylindrical shell

1.2 有限元方法

 图 2 圆柱壳边界条件以及加载情况 Fig. 2 Boundary condition and the pressure of the cylindrical shell

 图 3 圆柱壳网格示意图 Fig. 3 Mesh of the cylindrical shell

 图 4 加强围壁网格示意图 Fig. 4 The mesh of the enclosing wall
2 数值模拟结果分析 2.1 对称围壁高度变化对孔口应力的影响

 图 5 孔边壳板应力分布 Fig. 5 Stress distribution of the shell around opening

 图 6 围壁应力分布 Fig. 6 Stress distribution of the enclosing wall

 图 7 孔边壳板应力载荷比随围壁高度变化示意图 Fig. 7 Stress on the shell around the opening

 图 8 围壁应力载荷比随围壁高度变化示意图 Fig. 8 Stress on the enclosing wall

 图 9 围壁在载荷下的变化示意图 Fig. 9 Variation of the enclosing wall under the pressure load
2.2 非对称围壁高度变化对孔口应力的影响

 图 10 外伸围壁高度为50 mm时随着围壁内高增加孔边壳板应力变化示意图 Fig. 10 Height of the enclosing wall above the shell is 50 mm

 图 12 外伸围壁高度为125 mm时随着围壁内高增加孔边壳板应力变化示意图 Fig. 12 Height of the enclosing wall above the shell is 125 mm

 图 11 外伸围壁高度为100 mm时随着围壁内高增加孔边壳板应力变化示意图 Fig. 11 Height of the enclosing wall above the shell is 100 mm

 图 13 外伸围壁高度为50 mm时随着围壁内高增加围壁应力变化示意图 Fig. 13 Stress on the enclosing wall

 图 14 围壁内伸高度为50 mm时随外伸高度变化孔边壳板应力变化示意图 Fig. 14 Height of the enclosing wall inside the shell is 50 mm

 图 15 围壁内伸高度为50 mm时随外伸高度变化围壁应力变化示意图 Fig. 15 Stress on the enclosing wall
2.3 非对称围壁厚度变化对孔口应力的影响

 图 16 开孔周围壳板应力分布（围壁厚度=40 mm） Fig. 16 Stress distribution of the shell around opening（thickness=40 mm）

 图 17 应力载荷比随着围壁厚度增加变化示意图（不同曲线代表不同半径） Fig. 17 Stress varies with different thickness

 图 18 应力载荷比随着围壁厚度增加变化示意图（不同曲线代表外伸高度为50 mm时不同内伸高度下厚度变化趋势） Fig. 18 Stress varies with different thickness（different height inside the shell）

 图 19 厚度变化时围壁应力变化趋势示意图 Fig. 19 Stress on the enclosing wall for different thickness
3 有限元数值解

1）基于数值分析的结果，不论是对于对称的围壁补强，还是非对称的围壁补强，随着高度或者厚度的增加，孔边壳板的应力值都会减小最后趋于一个稳定值，这个值称为“有效高度”或者“有效厚度”。因此在进行围壁补强设计时，应首先找到有效高度值，在有效高度范围内再根据具体要求进行调整设计。

2）对于单壳体水下航行器，其受几何形状限制，只能采用单边加强的方式进行补强，孔口的应力场将更加复杂，其加强规律是非常值得探究的。本文计算结果表明，对于非对称围壁的开孔补强，不论是开孔边缘的壳板上的应力还是围壁上的应力，随着围壁高度（厚度）的增加，其值都会减小最后趋于稳定。但是对于非对称而言，“有效高度’的值通常会比对称的围壁补强的大一些。原因在于单边加强相比较对称加强，由于围壁外伸出壳体的长度受到限制，高度通常较小，大大减弱了加强效果，因此需要更长内伸的围壁来弥补缺失的效果。

3）当围壁的高度达到了“有效高度“之后，增加围壁的厚度往往能够继续减小孔边的应力集中。因此在进行非对称围壁补强件设计时，综合考虑高度与厚度的值，进行优化能够最大限度的达到理想的效果。

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