【摘要】：海洋臍帶纜作為深海能源開(kāi)發(fā)和信號(hào)控制的關(guān)鍵裝備,其設(shè)計(jì)制造技術(shù)一直是國(guó)際熱點(diǎn)。臍帶纜軸向承載裝備或構(gòu)件往往具有較大的彎曲柔性而在海洋工程中得到廣泛的應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)通常由若干具有大細(xì)長(zhǎng)比的子構(gòu)件繞中心構(gòu)件螺旋纏繞而成,在軸向上具有一維周期性的特點(diǎn)。同時(shí)由于這類(lèi)結(jié)構(gòu)的軸向長(zhǎng)度和組成構(gòu)件的截面幾何尺寸往往相差巨大,使得對(duì)于全結(jié)構(gòu)精細(xì)的有限元建模和分析的工作量巨大,可計(jì)算性降低,甚至使得對(duì)于此類(lèi)的優(yōu)化設(shè)計(jì)變得不可行。本文基于漸近均勻化理論,將此一維周期性螺旋纏繞結(jié)構(gòu)等效為一維均質(zhì)梁,推導(dǎo)建立了此類(lèi)柔性結(jié)構(gòu)等效力學(xué)性能分析的一種算法新格式,兼具嚴(yán)格數(shù)學(xué)推導(dǎo)和有限元數(shù)值的雙重優(yōu)勢(shì)。將該均勻化新方法應(yīng)用到典型一維螺旋纏繞結(jié)構(gòu)中,利用商業(yè)有限元軟件作為通用工具,研究了網(wǎng)格劃分方式和邊界條件的施加對(duì)整體力學(xué)性能的影響,得到了最佳的建模方式,從而快速有效地獲得該結(jié)構(gòu)模型包括等效拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)及耦合剛度在內(nèi)的整體等效剛度性能。在此基礎(chǔ)上,研究其尺寸效應(yīng)對(duì)宏觀(guān)等效性能找出能夠代表整體力學(xué)性能的最小單胞,并討論了螺旋纏繞結(jié)構(gòu)的螺旋角度和外層螺旋根數(shù)對(duì)宏觀(guān)等效剛度的影響。構(gòu)建了該一維周期性柔性結(jié)構(gòu)微單胞局部微觀(guān)應(yīng)力的降尺度分析格式,給出了其在均勻化統(tǒng)一框架下微觀(guān)應(yīng)力計(jì)算新格式。通過(guò)基于漸進(jìn)均勻化理論的降尺度算法,求得螺旋纏繞結(jié)構(gòu)指定幾何位置的細(xì)觀(guān)應(yīng)力。并通過(guò)與精確建立的有限元數(shù)值模型對(duì)比,驗(yàn)證了本文提出的一維周期性螺旋纏繞結(jié)構(gòu)多尺度計(jì)算方法的有效性。此外,研究了微觀(guān)應(yīng)力場(chǎng)求解的適用范圍,分別對(duì)于拉伸、彎曲和拉彎組合工況下的求解精度進(jìn)行分析,即便對(duì)于復(fù)雜組合工況下的微觀(guān)應(yīng)力結(jié)果也能夠滿(mǎn)足工程上的需求。同時(shí),均勻化算法相對(duì)于有限元數(shù)值模型在計(jì)算耗時(shí)上顯著減少。建立實(shí)際臍帶纜模型,對(duì)其拉伸剛度和彎曲剛度進(jìn)行均勻化求解。并與理論解析解和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。相比較傳統(tǒng)計(jì)算臍帶纜剛度的解耦算法,均勻化新方法能夠?qū)⒗靹偠?彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行耦合計(jì)算,從而得到完整剛度矩陣,而不是僅專(zhuān)注于某一特性。完成了理論研究數(shù)值模擬向?qū)嶋H工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)變,對(duì)于這類(lèi)復(fù)雜結(jié)構(gòu)非均質(zhì)結(jié)構(gòu),均勻化理論依舊具有準(zhǔn)確性和便捷性。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TE95

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2658228