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CN116432338A - 采用复合材料修复内部损伤柱形耐压壳的设计方法及结构 - Google Patents

采用复合材料修复内部损伤柱形耐压壳的设计方法及结构 Download PDF

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CN116432338A
CN116432338A CN202310229041.7A CN202310229041A CN116432338A CN 116432338 A CN116432338 A CN 116432338A CN 202310229041 A CN202310229041 A CN 202310229041A CN 116432338 A CN116432338 A CN 116432338A
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CN
China
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shell
pressure
length
cylindrical
repair
Prior art date
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CN202310229041.7A
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滕赟
张建
展铭
王明禄
狄陈阳
萨克迪拉特-凯文鲁恩
李政
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Jiangsu University of Science and Technology
Original Assignee
Jiangsu University of Science and Technology
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Abstract

本发明公开了一种采用复合材料修复内部损伤柱形耐压壳的设计方法及结构，方法包括以下步骤：第一步：判断长短壳；第二步：确定完美柱壳设计压力；第三步：确定缺陷柱壳断裂应力；第四步：确定缺陷柱壳设计压力；第五步：设计复合材料修复层；第六步：有限元验证。本发明中以柱形耐压壳初始与修复后的承载能力相同为基准，会根据管道内部损伤程度不同，计算出具体的修复方案，给出修复层数和修复长度。利用该设计方法修复的内部损伤柱形耐压壳，可最大化的节约修复成本，保证恢复初始承载能力的同时，阻断后续海洋环境对该区域柱壳表面二次腐蚀。

Description

采用复合材料修复内部损伤柱形耐压壳的设计方法及结构
技术领域
本发明涉及深海工程维修技术领域，尤其是涉及采用复合材料修复内部损伤柱形耐压壳的设计方法及结构。
背景技术
目前，为了探索海洋领域、开发海洋资源，海洋工程装备已成为大洋勘查和深海研究的重要组成部分。人类构建深海空间站、深海管道体系以及制造核动力潜艇等不同种类的潜水器进行探测海底世界，而随着下潜深度增加，设备承受的静水压力会越大，圆柱形耐压壳作为大部分海洋工程装备的主体结构，因其加工难度低，承载能力强，成熟的加工工艺，良好的强度、稳定性，壳体空间利用率，被广泛应用于油气运输、深海潜器等工程领域。
然而，为了满足相应的工艺制造要求、存储腐蚀性液体或油气运输，长时间使用会造成局部腐蚀、内壁减薄，形成局部失稳，以致寿命降低。现有的维修技术则是通过钢套加固、更换设备或者利用焊接技术进行维修，而在实际操作过程中，由于处于深海环境下使得维修难度增加，成本升高，以及在维修后也无法避免海水对于壳体表面的二次腐蚀。
如今，复合材料，如纤维增强聚合物复合材料被广泛使用在各个领域，如压力容器的设计、飞机的机翼、汽车的车身等。纤维增强聚合物复合材料凭借其防腐蚀、强度高的优点，应用于柱形耐压壳的维修具有可行性，而如何将纤维增强聚合物复合材料作为金属管道的修复材料，基于现有维修技术存在的弊端，在修复过程中实现原位精确快速修复、高安全性以及高经济性，则是亟待解决的问题。
发明内容
发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种采用复合材料修复内部损伤柱形耐压壳的设计方法，提出具体修复方案解决现有问题，增强安全性，降低成本。并提出了其修复结构。
技术方案：一种采用复合材料修复内部损伤柱形耐压壳的设计方法，包括以下步骤：
第一步：判断长短壳；
根据耐压壳的外径D和壁厚t计算临界长度Lcr,对于耐压壳进行判断分类，其中：
Figure BDA0004119529210000021
当耐压壳计算长度≥临界长度时，为长柱壳；当耐压壳计算长度<临界长度，为短柱壳；
第二步：确定完美柱壳设计压力；
对于钢制柱形耐压壳，当处于深海中，外部压力均匀的作用在柱壳表面，按照耐压壳的分类按以下公式进行壳体临界压力的计算：
长柱壳：
Figure BDA0004119529210000022
短柱壳：
Figure BDA0004119529210000023
其中，L为柱壳长度，E为柱壳的弹性模量，Pcr为临界压力；
考虑耐压壳成型过程中多种因素对临界压力造成的不良影响，引入安全系数m，则满足临界压力为设计压力为：
Figure BDA0004119529210000024
第三步：确定缺陷柱壳断裂应力；
S1：确定缺陷区域的具体形态，引入缺陷当量长度z,求出缺陷在轴向穿壁平面的投影面积S：
Figure BDA0004119529210000025
其中，l为损失最大轴向长度，d为损失的最大深度，davg为损失平均厚度；
S2：根据缺陷程度，γ＝d/t，确定材料的流变应力Sflow：
Figure BDA0004119529210000026
其中，SMYS为最小屈服强度；
S3：计算内部损失柱壳环向断裂应力：
以Dugdale塑性尺寸模型、受外压耐压壳的轴向缺陷的Folias分析和经验的缺陷深度与柱壳厚度关系为基础，得到环向断裂应力为：
Figure BDA0004119529210000027
其中，SF为环向断裂应力，S0为缺陷处原始管壁的横截面积，S0＝lt，Mt为Flias系数，代入投影面积S，则：
Figure BDA0004119529210000031
第四步：确定缺陷柱壳设计压力；
柱形耐压壳失效压力PF：
PF＝SF2t/D；
柱形耐压壳设计压力PS：
PS＝PF/SF；
其中，SF为常数，SF＝1.2～1.6；
第五步：设计复合材料修复层；
修复厚度：
Figure BDA0004119529210000032
其中，Ep为柱壳的拉伸模量，Ea为纤维增强聚合物轴向的拉伸模量，Pd为设计压力；
修复长度：
F＝2πrtσy；
Figure BDA0004119529210000033
其中，F为柱形耐压壳轴向屈服载荷；l0为修复长度；σy柱形耐压壳的屈服强度，τ为粘合剂的剪切强度，r为柱形耐压壳外部半径。
进一步的，在第二步中，耐压壳成型过程中考虑的因素包括因加工操作、制造造成的误差及材料性能在加工过程中存在硬化现象，安全系数m的取值范围为1.2～1.5。
进一步的，在第三步的步骤S1中，缺陷当量长度z为：
Figure BDA0004119529210000034
当z≤20时；
Figure BDA0004119529210000035
当z＞20时；
沿着轴向等间距h测量缺陷深度分别为d0、d1、d2...dn、dn+1，共测量n+1次构成n个梯形：
Figure BDA0004119529210000041
其中，d0、dn为两端的深度，在理想情况下可视为0，则有：
Figure BDA0004119529210000045
进一步的，在第三步的步骤S3中，Mt由l、Di、t确定：
Figure BDA0004119529210000042
Figure BDA0004119529210000043
其中，Di为耐压壳内径；
将Mt进行修正，其表达式可分为：
Figure BDA0004119529210000044
其中，λ为缺陷柱壳系数。
最佳额，本发明还包括第六步，有限元验证：分别建立初始、缺陷和修复的几何模型与有限元模型，确定模型各部分的截面参数，对复合材料赋予相应的铺层角度；采用非线性屈曲分析，定义有限元模型边界条件，在给予微小缺陷模拟真实耐压壳极限屈曲载荷，比较三者的屈曲载荷，验证理论计算的修复条件满足内部损伤柱形耐压壳修复状态。
一种上述的采用复合材料修复内部损伤柱形耐压壳设计方法得到的修复结构，包括柱形耐压壳、复合材料修复层，柱形耐压壳上厚板的内壁上具有损伤缺口，复合材料修复层在损伤缺口的位置处固定于厚板的外壁上，复合材料修复层覆盖损伤缺口，且其沿柱形耐压壳轴向的长度大于损伤缺口沿柱形耐压壳轴向的长度。
最佳的，复合材料修复层的材料为纤维增强聚合物复合材料。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明以柱形耐压壳初始与修复后的承载能力相同为基准，会根据管道内部损伤程度不同，计算出具体的修复方案，给出修复层数和修复长度。利用该设计方法修复的内部损伤柱形耐压壳，可最大化的节约修复成本，保证恢复初始承载能力的同时，阻断后续海洋环境对该区域柱壳表面二次腐蚀。
2、本发明设计符合计算纤维增强聚合物复合材料修复层的最小数值，利用共节点的方式进行有限元验证，考虑了采用非线性屈曲计算验证理论设计的修复参数的正确性，保证了评估方法的有效性。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为修复后的柱形耐压壳结构示意图；
图3为z≤20时柱形耐压壳缺陷区域投影面积S设计说明图；
图4为z＞20时柱形耐压壳缺陷区域投影面积S设计说明图；
图5为实施例1修复区域示意图；
图6为实施例2修复区域示意图；
图7为实施例3修复区域示意图；
图8为实施例4修复区域示意图；
图9为实施例5修复区域示意图；
图10为实施例6修复区域示意图；
图11为实施例修复效果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
一种采用复合材料修复内部损伤柱形耐压壳的设计方法，参见图1，包括以下步骤：
第一步：判断长短壳；
根据耐压壳的直径(D)和壁厚(t)计算临界长度(Lcr),对于耐压壳进行判断分类
Figure BDA0004119529210000051
判断标准：当耐压壳计算长度≥临界长度时，为长柱壳；当耐压壳计算长度<临界长度，为短柱壳。
第二步：确定完美柱壳设计压力；
对于钢制柱形耐压壳，当处于深海中，外部压力均匀的作用在柱壳表面，按照耐压壳的分类按以下公式进行壳体临界压力的计算(弹性范围内)：
长柱壳：
Figure BDA0004119529210000061
短柱壳：
Figure BDA0004119529210000062
其中，L为柱壳长度，E为柱壳的弹性模量，Pcr为临界压力，由于柱壳在成型过程中，因加工操作、制造造成的误差及材料性能在其过程中存在硬化现象等因素会对耐压壳的临界压力造成不良影响，在计算时需要考虑安全系数m＝1.2～1.5。
设计压力：
Figure BDA0004119529210000063
第三步：确定缺陷柱壳断裂应力；
S1：确定缺陷区域的具体形态，引入缺陷当量长度z：
Figure BDA0004119529210000064
其中，l为损失最大轴向长度，求出缺陷在轴向穿壁平面的投影面积S：
如图3所示，当z≤20时：
Figure BDA0004119529210000065
其中，d为损失的最大深度；
如图4所示当z＞20时，沿着轴向等间距h测量缺陷深度分别为d0、d1、d2…dn、dn+1共测量n+1次构成n个梯形
Figure BDA0004119529210000066
d0、dn为两端的深度，在理想情况下可视为0，则有：
Figure BDA0004119529210000067
综上可得缺陷在轴向穿壁平面的投影面积S：
Figure BDA0004119529210000068
其中，davg为损失平均厚度。
S2：根据缺陷程度，γ＝d/t，确定材料的流变应力Sflow：
Figure BDA0004119529210000069
其中，SMYS为最小屈服强度。
S3：计算内部损失柱壳环向断裂应力：
该公式以Dugdale塑性尺寸模型、受外压耐压壳的轴向缺陷的“Folias”分析和经验的缺陷深度与柱壳厚度关系为基础，其表达式为：
Figure BDA0004119529210000071
其中SF：环向断裂应力；S0：缺陷处原始管壁的横截面积，S0＝lt；Mt:Flias系数，它由l、Di、t确定，由下式确定：
Figure BDA0004119529210000072
将Mt进行修正，其表达式可分为：
Figure BDA0004119529210000073
其中，λ为缺陷柱壳系数，此处z的范围是依据柱壳整体结构确定。
根据修正后的断裂应力SF：
Figure BDA0004119529210000074
第四步：确定缺陷柱壳设计压力；
柱形耐压壳失效压力PF：PF＝SF2t/D (15)；
柱形耐压壳设计压力PS：PS＝PF/SF(SF＝1.2～1.6) (16)；
第五步：设计复合材料修复层；
修复厚度：
Figure BDA0004119529210000075
其中，Ep为柱壳的拉伸模量，Ea为纤维增强聚合物轴向的拉伸模量，Pd为设计压力。修复长度:
F＝2πrtσy (18)；
Figure BDA0004119529210000076
其中，F为柱形耐压壳轴向屈服载荷；l0为修复长度；σy柱形耐压壳的屈服强度，τ为粘合剂的剪切强度。
第六步：有限元验证；
根据船级社标准，利用相关软件，分别建立初始、缺陷和修复的几何模型与有限元模型，确定模型各部分的截面参数，对复合材料赋予相应的铺层角度；采用非线性屈曲分析，定义有限元模型边界条件，在给予微小缺陷模拟真实耐压壳极限屈曲载荷，比较三者的屈曲载荷，验证理论计算的修复条件满足内部损伤柱形耐压壳修复状态。
如图2所示，修复结构包括柱形耐压壳1、复合材料修复层3，柱形耐压壳1上厚板1的内壁上具有损伤缺口，复合材料修复层3在损伤缺口的位置处固定于厚板1的外壁上，复合材料修复层3覆盖损伤缺口，复合材料修复层3的材料为纤维增强聚合物复合材料。下面通过多个代入具体数据的实施例进一步验证本发明。
实施例1：
提供一种采用复合材料修复内部损伤柱形耐压壳的设计方法如图5所示，具体包括如下步骤：
表1初始柱形耐压壳尺寸参数
Figure BDA0004119529210000081
(一)根据柱形耐压壳的尺寸计算临界长度，当耐压壳设计长度≥临界长度时，为长柱壳；当耐压壳设计长度<临界长度，为短柱壳，代入公式(1)，此实施例1的临界长度为：
Figure BDA0004119529210000082
由此可得出该柱形耐压壳为短柱壳；
(二)对于钢制柱形耐压壳，当处于深海中，外部压力均匀的作用在柱壳表面，按照耐压壳的分类进行壳体临界压力的计算(弹性范围内)，具体地，E为弹性模量，如图表2所示，该实施例为短轴柱形耐压壳，代入公式(3)，计算得出：
Figure BDA0004119529210000083
由于柱壳在成型过程中，因加工操作、制造造成的误差及材料性能在其过程中存在硬化现象等因素会对耐压壳的临界压力造成不良影响，在计算时需要考虑安全系数m,即满足临界压力为设计压力的m倍，代入公式(4)，可得：
Figure BDA0004119529210000084
(三)选取如图5所示柱形耐压壳内部受损状态，引入缺陷当量长度z，代入公式(5)可得：
Figure BDA0004119529210000091
根据缺陷当量的长度范围，代入公式(9)，计算缺陷在轴向穿壁平面的投影面积S:
Figure BDA0004119529210000092
对于缺陷区域原始管壁横街面积S0，可定义为：S0＝lt＝20×2＝40(mm2)；
(四)计算柱形耐压壳缺陷程度，d/t＝50％，确定材料流变应力Sflow，代入公式(10),计算可得：Sflow＝1.1×304＝334.4(MPa)；
(五)根据上述获得的S、S0、Sflow，以Dugdale塑性尺寸模型、受外压耐压壳的轴向缺陷的“Folias”分析和经验的缺陷深度与柱壳厚度关系为基础，计算环向断裂应力SF，代入公式(14)；其中，Mt为Folias系数，由柱形耐压壳内径、缺陷长度、柱壳壁厚确定，代入公式(13)计算可得：
Figure BDA0004119529210000093
Figure BDA0004119529210000094
(六)根据内部损伤柱形耐压壳的环向断裂应力，确定缺陷柱壳设计压力PS为，代入公式(15)、(16)，计算可得：
Figure BDA0004119529210000095
(七)设计复合材料修复层，计算缠绕复合材料的最小厚度tmin、长度l0，代入公式(17)(19)中，最小厚度tmin、长度分别为l0：
Figure BDA0004119529210000096
Figure BDA0004119529210000097
(八)通过理论计算求出的修复厚度和修复长度，在符合实际情况条件下，最终选取tmin＝1.6(mm)、l0＝32(mm)，作为修复参数，进行有限元验证:
8.1、在Hypermesh软件中，选择Geom中的nodes,在笛卡尔坐标系下建立两个节点分别为(0，0，105)和(0，0，-105),作为参考点；选择Geom中的surface,选中Cylinder Full,给出相应的半径r＝35mm和高度h＝210mm，以两节点作为地面中心和法向处置方向，点击创建，柱壳外表创建完成；点击菜单栏中2D中的automesh,根据真实模型，输入合适的网格尺寸，采用四边形的网格单元划分方式，点击创建，表面网格创建完成；创建柱壳两端网格，选择2D中的spline，以节点路径的方式(node path),按照一定的方向选择两端所有节点创建网格；选中网格类型(element type),将四边形网格类型调整为S4R，框选所有创建网格，点击更新；调整两端面网格的法向方向，选择Tool中normals,选中网格，点击“display”,统一法向堆栈方向由里往外；返回Geom,选择temp nodes，删除所有创建的节点，完成几何模型及其网格建立。
8.2、建立有限元模型计算模型，柱形耐压壳及碳纤维复合材料如表2所示：
表2材料参数
Figure BDA0004119529210000101
选择Tool中的set,创建set集，将其柱壳模型分为端盖、完美、减薄以及修复区域，前三个区域建立连续均匀的壳单元截面属性，端盖厚度t0＝20mm，完美区域t1＝2mm,减薄区域t2＝1mm，厚度方向选取5个积分点，完美、减薄区域从顶面赋厚，端盖区域从底面赋厚；隐藏柱壳模型，仅显示修复区域的网格，进入Mesh模块，将修复区域的网格进行实体化，选择网格(mesh)中的编辑(edit),种类选择网格，方法选择创建实体层，从顶面由里往外进行偏置，其厚度为t3＝1.6mm，两个不同材料的接触面以共节点的方式进行连接。创建从顶面和底面新的单元，相应的网格类型需改成连续壳单元SC8R，再重新回到Property模块,定义修复区域网格的截面属性，创建复合材料铺层，给出铺层的数目8层，其网格单元类型与在mesh模块中保持一致，铺层方向以离散的方式进行定义，法向轴方向与初始轴方向分别选择方向3和1，其面和边则是选择网格面和以柱壳轴向的网格的一条边，堆栈方是向外进行铺层，输入每一层的材料都为复合材料、相对厚度为0.2mm以及选取角度为90°，每层选取三个积分点，完成创建。
8.3、采用Riks弧长分析步，考虑几何非线性选项，允许根据计算效率来自动选择弧长增量，考虑到分析不安全，其分析步中最大增量步数至少200步，在比例载荷——位移空间中沿静态平衡路径的初始弧长值一般设置为0.01，最大载荷增量设为0.1，最小载荷增量设为10-5；采用三点定位的方式限制模型的自由度，对于柱壳模型的两端面，选择其圆心处，固定其平面自由度，释放其法向自由度，对于柱壳表面，选择柱壳表面中心处一点，固定垂直于该点法向平面的自由度，释放其余自由度，并对整个模型的外表面施加均匀外压。
8.4、重复上述过程，只改变定义分析步方式，选择线性屈曲分(为非线性分析引入缺陷做准备)，采用子空间迭代法，分析六个特征值下的变形情况，特征向量选择12，最大的迭代次数选择3000。创建分析任务，导出文件，在非线性屈曲文件中加入缺陷扰动，调用线性屈曲分析文件，其扰动量一般是0.01t(t为壁厚)，进行求解；打开结果文件，查看后屈曲状态，得出随弧长增量变化的非线性屈曲载荷，提取最大临界载荷值，比较其理论设计的修复条件是否满足修复强度。
实施例2：
提供一种采用复合材料修复内部损伤柱形耐压壳的设计方法如图6所示，具体包括如下步骤：
表3初始柱形耐压壳尺寸参数
(一)根据柱形耐压壳的尺寸计算临界长度，当耐压壳设计长度≥临界长度时，为长柱壳；当耐压壳设计长度<临界长度，为短柱壳，代入公式(1)，此实施例2的临界长度为：
Figure BDA0004119529210000112
由此可得出该柱形耐压壳为短柱壳；
(二)对于钢制柱形耐压壳，当处于深海中，外部压力均匀的作用在柱壳表面，按照耐压壳的分类进行壳体临界压力的计算(弹性范围内)，具体地，E为弹性模量，如图表2所示，该实施例为短轴柱形耐压壳，代入公式(3)，计算得出：
Figure BDA0004119529210000113
由于柱壳在成型过程中，因加工操作、制造造成的误差及材料性能在其过程中存在硬化现象等因素会对耐压壳的临界压力造成不良影响，在计算时需要考虑安全系数m,即满足临界压力为设计压力的m倍，代入公式(4)，可得：
Figure BDA0004119529210000114
(三)选取如图6所示柱形耐压壳内部受损状态，引入缺陷当量长度z，代入公式(5)可得：
Figure BDA0004119529210000115
根据缺陷当量的长度范围，代入公式(9)，计算缺陷在轴向穿壁平面的投影面积S:
Figure BDA0004119529210000121
对于缺陷区域原始管壁横街面积S0，可定义为：S0＝lt＝20×2×40(mm2)；
(四)计算柱形耐压壳缺陷程度，d/t＝60％，确定材料流变应力Sflow，代入公式(10),计算可得：Sflow＝304×1.1＝334.4(MPa)；
(五)根据上述获得的S、S0、Sflow，以Dugdale塑性尺寸模型、受外压耐压壳的轴向缺陷的“Folias”分析和经验的缺陷深度与柱壳厚度关系为基础，计算环向断裂应力SF，代入公式(14)；其中，Mt为Folias系数，由柱形耐压壳内径、缺陷长度、柱壳壁厚确定，代入公式(13)计算可得：
Figure BDA0004119529210000122
Figure BDA0004119529210000123
(六)根据内部损伤柱形耐压壳的环向断裂应力，确定缺陷柱壳设计压力PS为，代入公式(15)、(16)，计算可得：
Figure BDA0004119529210000124
(七)设计复合材料修复层，计算缠绕复合材料的最小厚度tmin、长度l0，代入公式(17)(19)中，最小厚度tmin、长度分别为l0：
Figure BDA0004119529210000125
(八)通过理论计算求出的修复厚度和修复长度，在符合实际情况条件下，最终选取tmin＝1.8(mm)、l0＝32(mm)，作为修复参数，进行有限元验证:
8.1、在Hypermesh软件中，选择Geom中的nodes,在笛卡尔坐标系下建立两个节点分别为(0，0，105)和(0，0，-105),作为参考点；选择Geom中的surface,选中Cylinder Full,给出相应的半径r＝35mm和高度h＝210mm，以两节点作为地面中心和法向处置方向，点击创建，柱壳外表创建完成；点击菜单栏中2D中的automesh,根据真实模型，输入合适的网格尺寸，采用四边形的网格单元划分方式，点击创建，表面网格创建完成；创建柱壳两端网格，选择2D中的spline，以节点路径的方式(node path),按照一定的方向选择两端所有节点创建网格；选中网格类型(element type),将四边形网格类型调整为S4R，框选所有创建网格，点击更新；调整两端面网格的法向方向，选择Tool中normals,选中网格，点击“display”,统一法向堆栈方向由里往外；返回Geom,选择temp nodes，删除所有创建的节点，完成几何模型及其网格建立。
8.2、建立有限元模型计算模型，柱形耐压壳及碳纤维复合材料如表4所示：
表4材料参数
Figure BDA0004119529210000131
选择Tool中的set,创建set集，将其柱壳模型分为端盖、完美、减薄以及修复区域，前三个区域建立连续均匀的壳单元截面属性，端盖厚度t0＝20mm，完美区域t1＝2mm,减薄区域t2＝1.2mm，厚度方向选取5个积分点，完美、减薄区域从顶面赋厚，端盖区域从底面赋厚；隐藏柱壳模型，仅显示修复区域的网格，进入Mesh模块，将修复区域的网格进行实体化，选择网格(mesh)中的编辑(edit),种类选择网格，方法选择创建实体层，从顶面由里往外进行偏置，其厚度为t3＝1.8mm，两个不同材料的接触面以共节点的方式进行连接。创建从顶面和底面新的单元，相应的网格类型需改成连续壳单元SC8R，再重新回到Property模块,定义修复区域网格的截面属性，创建复合材料铺层，给出铺层的数目9层，其网格单元类型与在mesh模块中保持一致，铺层方向以离散的方式进行定义，法向轴方向与初始轴方向分别选择方向3和1，其面和边则是选择网格面和以柱壳轴向的网格的一条边，堆栈方是向外进行铺层，输入每一层的材料都为复合材料、相对厚度为0.2mm以及选取角度为90°，每层选取三个积分点，完成创建。
8.3、采用Riks弧长分析步，考虑几何非线性选项，允许根据计算效率来自动选择弧长增量，考虑到分析不安全，其分析步中最大增量步数至少200步，在比例载荷——位移空间中沿静态平衡路径的初始弧长值一般设置为0.01，最大载荷增量设为0.1，最小载荷增量设为10-5；采用三点定位的方式限制模型的自由度，对于柱壳模型的两端面，选择其圆心处，固定其平面自由度，释放其法向自由度，对于柱壳表面，选择柱壳表面中心处一点，固定垂直于该点法向平面的自由度，释放其余自由度，并对整个模型的外表面施加均匀外压。
8.4、重复上述过程，只改变定义分析步方式，选择线性屈曲分(为非线性分析引入缺陷做准备)，采用子空间迭代法，分析六个特征值下的变形情况，特征向量选择12，最大的迭代次数选择3000。创建分析任务，导出文件，在非线性屈曲文件中加入缺陷扰动，调用线性屈曲分析文件，其扰动量一般是0.01t(t为壁厚)，进行求解；打开结果文件，查看后屈曲状态，得出随弧长增量变化的非线性屈曲载荷，提取最大临界载荷值，比较其理论设计的修复条件是否满足修复强度。
实施例3：
提供一种采用复合材料修复内部损伤柱形耐压壳的设计方法如图7所示，具体包括如下步骤：
表5初始柱形耐压壳尺寸参数
Figure BDA0004119529210000141
(一)根据柱形耐压壳的尺寸计算临界长度，当耐压壳设计长度≥临界长度时，为长柱壳；当耐压壳设计长度<临界长度，为短柱壳，代入公式(1)，此实施例3的临界长度为：
Figure BDA0004119529210000142
由此可得出该柱形耐压壳为短柱壳；
(二)对于钢制柱形耐压壳，当处于深海中，外部压力均匀的作用在柱壳表面，按照耐压壳的分类进行壳体临界压力的计算(弹性范围内)，具体地，E为弹性模量，如图表2所示，该实施例为短轴柱形耐压壳，代入公式(3)，计算得出：
Figure BDA0004119529210000143
由于柱壳在成型过程中，因加工操作、制造造成的误差及材料性能在其过程中存在硬化现象等因素会对耐压壳的临界压力造成不良影响，在计算时需要考虑安全系数m,即满足临界压力为设计压力的m倍，代入公式(4)，可得：
Figure BDA0004119529210000144
(三)选取如图7所示柱形耐压壳内部受损状态，引入缺陷当量长度z，代入公式(5)可得：
Figure BDA0004119529210000145
根据缺陷当量的长度范围，代入公式(9)，计算缺陷在轴向穿壁平面的投影面积S:
Figure BDA0004119529210000146
对于缺陷区域原始管壁横街面积S0，可定义为：S0＝lt＝20×2＝40(mm2)；
(四)计算柱形耐压壳缺陷程度，d/t＝40％，确定材料流变应力Sflow，代入公式(10),计算可得：
Sflow＝304+69＝373(MPa)；
(五)根据上述获得的S、S0、Sflow，以Dugdale塑性尺寸模型、受外压耐压壳的轴向缺陷的“Folias”分析和经验的缺陷深度与柱壳厚度关系为基础，计算环向断裂应力SF，代入公式(14)；其中，Mt为Folias系数，由柱形耐压壳内径、缺陷长度、柱壳壁厚确定，代入公式(13)计算可得：
Figure BDA0004119529210000151
Figure BDA0004119529210000152
(六)根据内部损伤柱形耐压壳的环向断裂应力，确定缺陷柱壳设计压力PS为，代入公式(15)、(16)，计算可得：
Figure BDA0004119529210000153
(七)设计复合材料修复层，计算缠绕复合材料的最小厚度tmin、长度l0，代入公式(17)(19)中，最小厚度tmin、长度分别为l0：
Figure BDA0004119529210000154
(八)通过理论计算求出的修复厚度和修复长度，在符合实际情况条件下，最终选取tmin＝1.4(mm)、l0＝32(mm)，作为修复参数，进行有限元验证:
8.1、在Hypermesh软件中，选择Geom中的nodes,在笛卡尔坐标系下建立两个节点分别为(0，0，105)和(0，0，-105),作为参考点；选择Geom中的surface,选中Cylinder Full,给出相应的半径r＝35mm和高度h＝210mm，以两节点作为地面中心和法向处置方向，点击创建，柱壳外表创建完成；点击菜单栏中2D中的automesh,根据真实模型，输入合适的网格尺寸，采用四边形的网格单元划分方式，点击创建，表面网格创建完成；创建柱壳两端网格，选择2D中的spline，以节点路径的方式(node path),按照一定的方向选择两端所有节点创建网格；选中网格类型(element type),将四边形网格类型调整为S4R，框选所有创建网格，点击更新；调整两端面网格的法向方向，选择Tool中normals,选中网格，点击“display”,统一法向堆栈方向由里往外；返回Geom,选择temp nodes，删除所有创建的节点，完成几何模型及其网格创建。
8.2、建立有限元模型计算模型，柱形耐压壳及碳纤维复合材料如表6所示：
表6材料参数
Figure BDA0004119529210000161
选择Tool中的set,创建set集，将其柱壳模型分为端盖、完美、减薄以及修复区域，前三个区域建立连续均匀的壳单元截面属性，端盖厚度t0＝20mm，完美区域t1＝2mm,减薄区域t2＝0.8mm，厚度方向选取5个积分点，完美、减薄区域从顶面赋厚，端盖区域从底面赋厚；隐藏柱壳模型，仅显示修复区域的网格，进入Mesh模块，将修复区域的网格进行实体化，选择网格(mesh)中的编辑(edit),种类选择网格，方法选择创建实体层，从顶面由里往外进行偏置，其厚度为t3＝1.4mm，两个不同材料的接触面以共节点的方式进行连接。创建从顶面和底面新的单元，相应的网格类型需改成连续壳单元SC8R，再重新回到Property模块,定义修复区域网格的截面属性，创建复合材料铺层，给出铺层的数目7层，其网格单元类型与在mesh模块中保持一致，铺层方向以离散的方式进行定义，法向轴方向与初始轴方向分别选择方向3和1，其面和边则是选择网格面和以柱壳轴向的网格的一条边，堆栈方是向外进行铺层，输入每一层的材料都为复合材料、相对厚度为0.02mm以及选取角度为90°，每层选取三个积分点，完成创建。
8.3、采用Riks弧长分析步，考虑几何非线性选项，允许根据计算效率来自动选择弧长增量，考虑到分析不安全，其分析步中最大增量步数至少200步，在比例载荷——位移空间中沿静态平衡路径的初始弧长值一般设置为0.01，最大载荷增量设为0.1，最小载荷增量设为10-5；采用三点定位的方式限制模型的自由度，对于柱壳模型的两端面，选择其圆心处，固定其平面自由度，释放其法向自由度，对于柱壳表面，选择柱壳表面中心处一点，固定垂直于该点法向平面的自由度，释放其余自由度，并对整个模型的外表面施加均匀外压。
8.4、重复上述过程，只改变定义分析步方式，选择线性屈曲分(为非线性分析引入缺陷做准备)，采用子空间迭代法，分析六个特征值下的变形情况，特征向量选择12，最大的迭代次数选择3000。创建分析任务，导出文件，在非线性屈曲文件中加入缺陷扰动，调用线性屈曲分析文件，其扰动量一般是0.01t(t为壁厚)，进行求解；打开结果文件，查看后屈曲状态，得出随弧长增量变化的非线性屈曲载荷，提取最大临界载荷值，比较其理论设计的修复条件是否满足修复强度。
实施例4：
提供一种采用复合材料修复内部损伤柱形耐压壳的设计方法如图8所示，具体包括如下步骤：
表7初始柱形耐压壳尺寸参数
Figure BDA0004119529210000171
(一)根据柱形耐压壳的尺寸计算临界长度，当耐压壳设计长度≥临界长度时，为长柱壳；当耐压壳设计长度<临界长度，为短柱壳，代入公式(1)，此实施例4的临界长度为：
Figure BDA0004119529210000172
由此可得出该柱形耐压壳为短柱壳；
(二)对于钢制柱形耐压壳，当处于深海中，外部压力均匀的作用在柱壳表面，按照耐压壳的分类进行壳体临界压力的计算(弹性范围内)，具体地，E为弹性模量，如图表2所示，该实施例为短轴柱形耐压壳，代入公式(3)，计算得出：
Figure BDA0004119529210000173
由于柱壳在成型过程中，因加工操作、制造造成的误差及材料性能在其过程中存在硬化现象等因素会对耐压壳的临界压力造成不良影响，在计算时需要考虑安全系数m,即满足临界压力为设计压力的m倍，代入公式(4)，可得：
Figure BDA0004119529210000174
(三)选取如图8所示柱形耐压壳内部受损状态，引入缺陷当量长度z，代入公式(5)可得：
Figure BDA0004119529210000175
根据缺陷当量的长度范围，代入公式(9)，计算缺陷在轴向穿壁平面的投影面积S:
Figure BDA0004119529210000181
对于缺陷区域原始管壁横街面积S0，可定义为：S0＝lt＝20×2＝40(mm2)；
(四)计算柱形耐压壳缺陷程度，d/t＝30％，确定材料流变应力Sflow，代入公式(10),计算可得：
Sflow＝304×69＝373(MPa)；
(五)根据上述获得的S、S0、Sflow，以Dugdale塑性尺寸模型、受外压耐压壳的轴向缺陷的“Folias”分析和经验的缺陷深度与柱壳厚度关系为基础，计算环向断裂应力SF，代入公式(14)；其中，Mt为Folias系数，由柱形耐压壳内径、缺陷长度、柱壳壁厚确定，代入公式(13)计算可得：
Figure BDA0004119529210000182
Figure BDA0004119529210000183
(六)根据内部损伤柱形耐压壳的环向断裂应力，确定缺陷柱壳设计压力PS为，代入公式(15)、(16)，计算可得：
Figure BDA0004119529210000184
(七)设计复合材料修复层，计算缠绕复合材料的最小厚度tmin、长度l0，代入公式(17)(19)中，最小厚度tmin、长度分别为l0：
Figure BDA0004119529210000185
(八)通过理论计算求出的修复厚度和修复长度，在符合实际情况条件下，最终选取tmin＝0.8(mm)、l0(32(mm)，作为修复参数，进行有限元验证:
8.1、在Hypermesh软件中，选择Geom中的nodes,在笛卡尔坐标系下建立两个节点分别为(0，0，105)和(0，0，-105),作为参考点；选择Geom中的surface,选中Cylinder Full,给出相应的半径r＝35mm和高度h＝210mm，以两节点作为地面中心和法向处置方向，点击创建，柱壳外表创建完成；点击菜单栏中2D中的automesh,根据真实模型，输入合适的网格尺寸，采用四边形的网格单元划分方式，点击创建，表面网格创建完成；创建柱壳两端网格，选择2D中的spline，以节点路径的方式(node path),按照一定的方向选择两端所有节点创建网格；选中网格类型(element type),将四边形网格类型调整为S4R，框选所有创建网格，点击更新；调整两端面网格的法向方向，选择Tool中normals,选中网格，点击“display”,统一法向堆栈方向由里往外；返回Geom,选择temp nodes，删除所有创建的节点，完成几何模型及其网格建立。
8.2、建立有限元模型计算模型，柱形耐压壳及碳纤维复合材料如表8所示：
表8材料参数
Figure BDA0004119529210000191
选择Tool中的set,创建set集，将其柱壳模型分为端盖、完美、减薄以及修复区域，前三个区域建立连续均匀的壳单元截面属性，端盖厚度t0＝20mm，完美区域t1＝2mm,减薄区域t2＝0.6mm，厚度方向选取5个积分点，完美、减薄区域从顶面赋厚，端盖区域从底面赋厚；隐藏柱壳模型，仅显示修复区域的网格，进入Mesh模块，将修复区域的网格进行实体化，选择网格(mesh)中的编辑(edit),种类选择网格，方法选择创建实体层，从顶面由里往外进行偏置，其厚度为t3＝0.8mm，两个不同材料的接触面以共节点的方式进行连接。创建从顶面和底面新的单元，相应的网格类型需改成连续壳单元SC8R，再重新回到Property模块,定义修复区域网格的截面属性，创建复合材料铺层，给出铺层的数目4层，其网格单元类型与在mesh模块中保持一致，铺层方向以离散的方式进行定义，法向轴方向与初始轴方向分别选择方向3和1，其面和边则是选择网格面和以柱壳轴向的网格的一条边，堆栈方是向外进行铺层，输入每一层的材料都为复合材料、相对厚度为0.02mm以及选取角度为90°，每层选取三个积分点，完成创建。
8.3、采用Riks弧长分析步，考虑几何非线性选项，允许根据计算效率来自动选择弧长增量，考虑到分析不安全，其分析步中最大增量步数至少200步，在比例载荷——位移空间中沿静态平衡路径的初始弧长值一般设置为0.01，最大载荷增量设为0.1，最小载荷增量设为10-5；采用三点定位的方式限制模型的自由度，对于柱壳模型的两端面，选择其圆心处，固定其平面自由度，释放其法向自由度，对于柱壳表面，选择柱壳表面中心处一点，固定垂直于该点法向平面的自由度，释放其余自由度，并对整个模型的外表面施加均匀外压。
8.4、重复上述过程，只改变定义分析步方式，选择线性屈曲分(为非线性分析引入缺陷做准备)，采用子空间迭代法，分析六个特征值下的变形情况，特征向量选择12，最大的迭代次数选择3000。创建分析任务，导出文件，在非线性屈曲文件中加入缺陷扰动，调用线性屈曲分析文件，其扰动量一般是0.01t(t为壁厚)，进行求解；打开结果文件，查看后屈曲状态，得出随弧长增量变化的非线性屈曲载荷，提取最大临界载荷值，比较其理论设计的修复条件是否满足修复强度。
实施例5：
提供一种采用复合材料修复内部损伤柱形耐压壳的设计方法如图9所示，具体包括如下步骤：
表9初始柱形耐压壳尺寸参数
Figure BDA0004119529210000201
(一)根据柱形耐压壳的尺寸计算临界长度，当耐压壳设计长度≥临界长度时，为长柱壳；当耐压壳设计长度<临界长度，为短柱壳，代入公式(1)，此实施例5的临界长度为：
Figure BDA0004119529210000202
由此可得出该柱形耐压壳为短柱壳；
(二)对于钢制柱形耐压壳，当处于深海中，外部压力均匀的作用在柱壳表面，按照耐压壳的分类进行壳体临界压力的计算(弹性范围内)，具体地，E为弹性模量，如图表2所示，该实施例为短轴柱形耐压壳，代入公式(3)，计算得出：
Figure BDA0004119529210000203
由于柱壳在成型过程中，因加工操作、制造造成的误差及材料性能在其过程中存在硬化现象等因素会对耐压壳的临界压力造成不良影响，在计算时需要考虑安全系数m,即满足临界压力为设计压力的m倍，代入公式(4)，可得：
Figure BDA0004119529210000204
(三)选取如图9所示柱形耐压壳内部受损状态，引入缺陷当量长度z，代入公式(5)可得：
Figure BDA0004119529210000205
根据缺陷当量的长度范围，代入公式(9)，计算缺陷在轴向穿壁平面的投影面积S:
Figure BDA0004119529210000211
对于缺陷区域原始管壁横街面积S0，可定义为：S0＝lt＝20×2＝40(mm2)；
(四)计算柱形耐压壳缺陷程度，d/t＝20％，确定材料流变应力Sflow，代入公式(10),计算可得：
Sflow＝304×69＝373(MPa)；
(五)根据上述获得的S、S0、Sflow，以Dugdale塑性尺寸模型、受外压耐压壳的轴向缺陷的“Folias”分析和经验的缺陷深度与柱壳厚度关系为基础，计算环向断裂应力SF，代入公式(14)；其中，Mt为Folias系数，由柱形耐压壳内径、缺陷长度、柱壳壁厚确定，代入公式(13)计算可得：
Figure BDA0004119529210000212
Figure BDA0004119529210000213
(六)根据内部损伤柱形耐压壳的环向断裂应力，确定缺陷柱壳设计压力PS为，代入公式(15)、(16)，计算可得：
Figure BDA0004119529210000214
(七)设计复合材料修复层，计算缠绕复合材料的最小厚度tmin、长度l0，代入公式(17)(19)中，最小厚度tmin、长度分别为l0：
Figure BDA0004119529210000215
(八)通过理论计算求出的修复厚度和修复长度，在符合实际情况条件下，最终选取tmin＝0.8(mm)、l0＝32(mm)，作为修复参数，进行有限元验证:
8.1、在Hypermesh软件中，选择Geom中的nodes,在笛卡尔坐标系下建立两个节点分别为(0，0，105)和(0，0，-105),作为参考点；选择Geom中的surface,选中Cylinder Full,给出相应的半径r＝35mm和高度h＝210mm，以两节点作为地面中心和法向处置方向，点击创建，柱壳外表创建完成；点击菜单栏中2D中的automesh,根据真实模型，输入合适的网格尺寸，采用四边形的网格单元划分方式，点击创建，表面网格创建完成；创建柱壳两端网格，选择2D中的spline，以节点路径的方式(node path),按照一定的方向选择两端所有节点创建网格；选中网格类型(element type),将四边形网格类型调整为S4R，框选所有创建网格，点击更新；调整两端面网格的法向方向，选择Tool中normals,选中网格，点击“display”,统一法向堆栈方向由里往外；返回Geom,选择temp nodes，删除所有创建的节点，完成几何模型及其网格建立。
8.2、建立有限元模型计算模型，柱形耐压壳及碳纤维复合材料如表10所示：
表10材料参数
Figure BDA0004119529210000221
选择Tool中的set,创建set集，将其柱壳模型分为端盖、完美、减薄以及修复区域，前三个区域建立连续均匀的壳单元截面属性，端盖厚度t0＝20mm，完美区域t1＝2mm,减薄区域t2＝0.4mm，厚度方向选取5个积分点，完美、减薄区域从顶面赋厚，端盖区域从底面赋厚；隐藏柱壳模型，仅显示修复区域的网格，进入Mesh模块，将修复区域的网格进行实体化，选择网格(mesh)中的编辑(edit),种类选择网格，方法选择创建实体层，从顶面由里往外进行偏置，其厚度为t3＝0.8mm，两个不同材料的接触面以共节点的方式进行连接。创建从顶面和底面新的单元，相应的网格类型需改成连续壳单元SC8R，再重新回到Property模块,定义修复区域网格的截面属性，创建复合材料铺层，给出铺层的数目4层，其网格单元类型与在mesh模块中保持一致，铺层方向以离散的方式进行定义，法向轴方向与初始轴方向分别选择方向3和1，其面和边则是选择网格面和以柱壳轴向的网格的一条边，堆栈方是向外进行铺层，输入每一层的材料都为复合材料、相对厚度为0.2mm以及选取角度为90°，每层选取三个积分点，点击创建完成。
8.3、采用Riks弧长分析步，考虑几何非线性选项，允许根据计算效率来自动选择弧长增量，考虑到分析不安全，其分析步中最大增量步数至少200步，在比例载荷——位移空间中沿静态平衡路径的初始弧长值一般设置为0.01，最大载荷增量设为0.1，最小载荷增量设为10-5；采用三点定位的方式限制模型的自由度，对于柱壳模型的两端面，选择其圆心处，固定其平面自由度，释放其法向自由度，对于柱壳表面，选择柱壳表面中心处一点，固定垂直于该点法向平面的自由度，释放其余自由度，并对整个模型的外表面施加均匀外压。
8.4、重复上述过程，只改变定义分析步方式，选择线性屈曲分(为非线性分析引入缺陷做准备)，采用子空间迭代法，分析六个特征值下的变形情况，特征向量选择12，最大的迭代次数选择3000。创建分析任务，导出文件，在非线性屈曲文件中加入缺陷扰动，调用线性屈曲分析文件，其扰动量一般是0.01t(t为壁厚)，进行求解；打开结果文件，查看后屈曲状态，得出随弧长增量变化的非线性屈曲载荷，提取最大临界载荷值，比较其理论设计的修复条件是否满足修复强度。
实施例6：
提供一种采用复合材料修复内部损伤柱形耐压壳的设计方法如图10所示，具体包括如下步骤：
表11初始柱形耐压壳尺寸参数
Figure BDA0004119529210000231
(一)根据柱形耐压壳的尺寸计算临界长度，当耐压壳设计长度≥临界长度时，为长柱壳；当耐压壳设计长度<临界长度，为短柱壳，代入公式(1)，此实施例6的临界长度为：
Figure BDA0004119529210000232
由此可得出该柱形耐压壳为短柱壳；
(二)对于钢制柱形耐压壳，当处于深海中，外部压力均匀的作用在柱壳表面，按照耐压壳的分类进行壳体临界压力的计算(弹性范围内)，具体地，E为弹性模量，如图表2所示，该实施例为短轴柱形耐压壳，代入公式(3)，计算得出：
Figure BDA0004119529210000233
由于柱壳在成型过程中，因加工操作、制造造成的误差及材料性能在其过程中存在硬化现象等因素会对耐压壳的临界压力造成不良影响，在计算时需要考虑安全系数m,即满足临界压力为设计压力的m倍，代入公式(4)，可得：
Figure BDA0004119529210000234
(三)选取如图10所示柱形耐压壳内部受损状态，引入缺陷当量长度z，代入公式(5)可得：
Figure BDA0004119529210000235
根据缺陷当量的长度范围，代入公式(9)，计算缺陷在轴向穿壁平面的投影面积S:
Figure BDA0004119529210000241
对于缺陷区域原始管壁横街面积S0，可定义为：S0＝lt＝20×2＝40(mm2)；
(四)计算柱形耐压壳缺陷程度，d/t＝50％，确定材料流变应力Sflow，代入公式(10),计算可得：Sflow＝304×1.1＝334.4(MPa)；
(五)根据上述获得的S、S0、Sflow，以Dugdale塑性尺寸模型、受外压耐压壳的轴向缺陷的“Folias”分析和经验的缺陷深度与柱壳厚度关系为基础，计算环向断裂应力SF，代入公式(14)；其中，Mt为Folias系数，由柱形耐压壳内径、缺陷长度、柱壳壁厚确定，代入公式(13)计算可得：
Figure BDA0004119529210000242
Figure BDA0004119529210000243
(六)根据内部损伤柱形耐压壳的环向断裂应力，确定缺陷柱壳设计压力PS为，代入公式(15)、(16)，计算可得：
Figure BDA0004119529210000244
(七)设计复合材料修复层，计算缠绕复合材料的最小厚度tmin、长度l0，代入公式(17)(19)中，最小厚度tmin、长度分别为l0：
Figure BDA0004119529210000245
Figure BDA0004119529210000246
(八)通过理论计算求出的修复厚度和修复长度，在符合实际情况条件下，最终选取tmin＝1.8(mm)、l0＝52(mm)，作为修复参数，进行有限元验证:
8.1、在Hypermesh软件中，选择Geom中的nodes,在笛卡尔坐标系下建立两个节点分别为(0，0，105)和(0，0，-105),作为参考点；选择Geom中的surface,选中Cylinder Full,给出相应的半径r＝35mm和高度h＝210mm，以两节点作为地面中心和法向处置方向，点击创建，柱壳外表创建完成；点击菜单栏中2D中的automesh,根据真实模型，输入合适的网格尺寸，采用四边形的网格单元划分方式，点击创建，表面网格创建完成；创建柱壳两端网格，选择2D中的spline，以节点路径的方式(node path),按照一定的方向选择两端所有节点创建网格；选中网格类型(element type),将四边形网格类型调整为S4R，框选所有创建网格，点击更新；调整两端面网格的法向方向，选择Tool中normals,选中网格，点击“display”,统一法向堆栈方向由里往外；返回Geom,选择temp nodes，删除所有创建的节点，完成几何模型及其网格建立。
8.2、建立有限元模型计算模型，柱形耐压壳及碳纤维复合材料如表12所示：
表12材料参数
Figure BDA0004119529210000251
选择Tool中的set,创建set集，将其柱壳模型分为端盖、完美、减薄以及修复区域，前三个区域建立连续均匀的壳单元截面属性，端盖厚度t0＝20mm，完美区域t1＝2mm,减薄区域t2＝1mm，厚度方向选取5个积分点，完美、减薄区域从顶面赋厚，端盖区域从底面赋厚；隐藏柱壳模型，仅显示修复区域的网格，进入Mesh模块，将修复区域的网格进行实体化，选择网格(mesh)中的编辑(edit),种类选择网格，方法选择创建实体层，从顶面由里往外进行偏置，其厚度为t3＝1.8mm，两个不同材料的接触面以共节点的方式进行连接。创建从顶面和底面新的单元，相应的网格类型需改成连续壳单元SC8R，再重新回到Property模块,定义修复区域网格的截面属性，创建复合材料铺层，给出铺层的数目9层，其网格单元类型与在mesh模块中保持一致，铺层方向以离散的方式进行定义，法向轴方向与初始轴方向分别选择方向3和1，其面和边则是选择网格面和以柱壳轴向的网格的一条边，堆栈方是向外进行铺层，输入每一层的材料都为复合材料、相对厚度为0.2mm以及选取角度为90°，每层选取三个积分点，完成创建。
8.3、采用Riks弧长分析步，考虑几何非线性选项，允许根据计算效率来自动选择弧长增量，考虑到分析不安全，其分析步中最大增量步数至少200步，在比例载荷——位移空间中沿静态平衡路径的初始弧长值一般设置为0.01，最大载荷增量设为0.1，最小载荷增量设为10-5；采用三点定位的方式限制模型的自由度，对于柱壳模型的两端面，选择其圆心处，固定其平面自由度，释放其法向自由度，对于柱壳表面，选择柱壳表面中心处一点，固定垂直于该点法向平面的自由度，释放其余自由度，并对整个模型的外表面施加均匀外压。
8.4、重复上述过程，只改变定义分析步方式，选择线性屈曲分(为非线性分析引入缺陷做准备)，采用子空间迭代法，分析六个特征值下的变形情况，特征向量选择12，最大的迭代次数选择3000。创建分析任务，导出文件，在非线性屈曲文件中加入缺陷扰动，调用线性屈曲分析文件，其扰动量一般是0.01t(t为壁厚)，进行求解；打开结果文件，查看后屈曲状态，得出随弧长增量变化的非线性屈曲载荷，提取最大临界载荷值，比较其理论设计的修复条件是否满足修复强度。
基于上述六个实施例的验证，得出如图11所示效果图，如表13所示为综上修复的理论设计及有限元仿真综合：
表13理论设计于有限元仿真
Figure BDA0004119529210000261
通过提出一种内部损伤耐压壳在外压作用下利用复合材料进行修复的方式，将修复的厚度和长度作为仿真的条件，建立初始，缺陷、修复仿真模型得出数值解进行对比，三者结果比较，验证该评估方法满足内部损伤柱形耐压壳修复条件的正确性。

Claims (7)

1.一种采用复合材料修复内部损伤柱形耐压壳的设计方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步：判断长短壳；
根据耐压壳的外径D和壁厚t计算临界长度Lcr,对于耐压壳进行判断分类，其中：
Figure FDA0004119529190000011
当耐压壳计算长度≥临界长度时，为长柱壳；当耐压壳计算长度<临界长度，为短柱壳；
第二步：确定完美柱壳设计压力；
对于钢制柱形耐压壳，当处于深海中，外部压力均匀的作用在柱壳表面，按照耐压壳的分类按以下公式进行壳体临界压力的计算：
长柱壳：
Figure FDA0004119529190000012
短柱壳：
Figure FDA0004119529190000013
其中，L为柱壳长度，E为柱壳的弹性模量，Pcr为临界压力；
考虑耐压壳成型过程中多种因素对临界压力造成的不良影响，引入安全系数m，则满足临界压力为设计压力为：
Figure FDA0004119529190000014
第三步：确定缺陷柱壳断裂应力；
S1：确定缺陷区域的具体形态，引入缺陷当量长度z,求出缺陷在轴向穿壁平面的投影面积S：
Figure FDA0004119529190000015
其中，l为损失最大轴向长度，d为损失的最大深度，davg为损失平均厚度；
S2：根据缺陷程度，γ＝d/t，确定材料的流变应力Sflow：
Figure FDA0004119529190000016
其中，SMYS为最小屈服强度；
S3：计算内部损失柱壳环向断裂应力：
以Dugdale塑性尺寸模型、受外压耐压壳的轴向缺陷的Folias分析和经验的缺陷深度与柱壳厚度关系为基础，得到环向断裂应力为：
Figure FDA0004119529190000021
其中，SF为环向断裂应力，S0为缺陷处原始管壁的横截面积，S0＝lt，Mt为Flias系数，代入投影面积S，则：
Figure FDA0004119529190000022
第四步：确定缺陷柱壳设计压力；
柱形耐压壳失效压力PF：
PF＝SF2t/D；
柱形耐压壳设计压力PS：
PS＝PF/SF；
其中，SF为常数，SF＝1.2～1.6；
第五步：设计复合材料修复层；
修复厚度：
Figure FDA0004119529190000023
其中，Ep为柱壳的拉伸模量，Ea为纤维增强聚合物轴向的拉伸模量，Pd为设计压力；
修复长度：
F＝2πrtσy；
Figure FDA0004119529190000024
其中，F为柱形耐压壳轴向屈服载荷；l0为修复长度；σy柱形耐压壳的屈服强度，τ为粘合剂的剪切强度，r为柱形耐压壳外部半径。
2.根据权利要求1所述的采用复合材料修复内部损伤柱形耐压壳的设计方法，其特征在于：在第二步中，耐压壳成型过程中考虑的因素包括因加工操作、制造造成的误差及材料性能在加工过程中存在硬化现象，安全系数m的取值范围为1.2～1.5。
3.根据权利要求1所述的采用复合材料修复内部损伤柱形耐压壳的设计方法，其特征在于：在第三步的步骤S1中，缺陷当量长度z为：
Figure FDA0004119529190000031
当z≤20时；
Figure FDA0004119529190000032
当z＞20时；
沿着轴向等间距h测量缺陷深度分别为d0、d1、d2…dn、dn+1，共测量n+1次构成n个梯形：
Figure FDA0004119529190000033
其中，d0、dn为两端的深度，在理想情况下可视为0，则有：
Figure FDA0004119529190000034
4.根据权利要求1所述的采用复合材料修复内部损伤柱形耐压壳的设计方法，其特征在于：在第三步的步骤S3中，Mt由l、Di、t确定：
Figure FDA0004119529190000035
Figure FDA0004119529190000036
其中，Di为耐压壳内径；
将Mt进行修正，其表达式可分为：
Figure FDA0004119529190000037
其中，λ为缺陷柱壳系数。
5.根据权利要求1所述的采用复合材料修复内部损伤柱形耐压壳的设计方法，其特征在于，还包括第六步，有限元验证：分别建立初始、缺陷和修复的几何模型与有限元模型，确定模型各部分的截面参数，对复合材料赋予相应的铺层角度；采用非线性屈曲分析，定义有限元模型边界条件，在给予微小缺陷模拟真实耐压壳极限屈曲载荷，比较三者的屈曲载荷，验证理论计算的修复条件满足内部损伤柱形耐压壳修复状态。
6.一种如1～5任一所述的采用复合材料修复内部损伤柱形耐压壳设计方法得到的修复结构，其特征在于：包括柱形耐压壳(1)、复合材料修复层(3)，柱形耐压壳(1)上厚板(1)的内壁上具有损伤缺口，复合材料修复层(3)在损伤缺口的位置处固定于厚板(1)的外壁上，复合材料修复层(3)覆盖损伤缺口，且其沿柱形耐压壳(1)轴向的长度大于损伤缺口沿柱形耐压壳(1)轴向的长度。
7.根据权利要求6所述的采用复合材料修复结构，其特征在于：复合材料修复层(3)的材料为纤维增强聚合物复合材料。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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