存档编号

华北水利水电大学

North China University of Water Conservancy and Hydroelectric Power

毕 业 设 计

题目 基于ABAQUS的Ⅱ型插桩定位装置的有限元分析

学 院 机械学院

专 业 机械设计制造及其自动化

姓 名 徐欣

学 号 200905724

指导教师 郝用兴/吴林峰/侯艳君

完成时间 2013年5月26日

教务处制

独立完成与诚信声明

本人郑重声明：所提交的毕业设计（论文）是本人在指导教师的指导下，独立工作所取得的成果并撰写完成的，郑重确认没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，不包含其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

毕业设计（论文）作者签名： 指导导师签名：

签字日期： 签字日期：

毕业设计（论文）版权使用授权书

本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用毕业设计（论文）的规定。特授权华北水利水电学院可以将毕业设计（论文）的全部或部分内容公开和编入有关数据库提供检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交毕业设计（论文）原件或复印件和电子文档（涉密的成果在解密后应遵守此规定）。

毕业设计（论文）作者签名： 导师签名：

签字日期： 签字日期：

摘要

Ⅱ型水上插桩定位装置属于水上基础设施建设的一种装置系统，主要用于港口、码头、浅海、滩堤等进行安装砼桩施工的专用装置。

由于水上插装定位装置的二维设计图纸不能够直观地表现出该设备的造型及其作业时的工作状态，所以要通过相关软件来绘制出该装置的三维模型，然后模拟其在实际工作时的所受到的外界环境，分析其产生的作用效果，以此来更加形象而直观地将水上插桩定位装置的造型和工作状态表现出来，并对其结构设计提出优化方案。本篇文章中，首先对建模软件PRO/E和有限元分析软件ABAQUS进行简单的介绍，其次是利用PRO/E对该设备的各个部件进行建模和装配，然后将PRO/E创建的模型导入到ABAQUS中进行有限元分析，最后利用所学专业的相关知识，对该设备提出优化方案！

本文的目的主要是对Ⅱ型水上插桩定位装置进行建模和有限元分析，建模过程中，只需通过PRO/E进行简单的草绘，拉伸，加厚，阵列，镜像，切削等操作即可完成对零部件的创建，创建完成，通过简单约束即可完成装配。有限元的整个过程中最棘手的问题是对模型进行划分网格，网格划分成功与否直接关系到有限元分析的成败！

关键词：有限元 PRO/E ABAQUS

Abstract

Ⅱ type water plugging pile positioning device belongs to the water infrastructure system, a special device that is mainly used in port, wharf, shallow sea, beach dam to concrete pile construction installation

Because of the 2 d design drawing of water plugging pile positioning device can not present the modelling of the equipment and the working state of the homework, so we need to simulate the 3 d model of the device and analy the actual work effects through the related software, and then simulate it in the actual work of the external environment, to analyze its effect, in order to more image and intuitively to the modelling of water plugging pile positioning device and working status，and its structure design optimization scheme is put forward. In this article, first of all, I have a simple introduction for PRO/E and ABAQUS, the second ，I use the PRO/E to create model and assembly for equipment parts , Later，the model which is created by PRO/E is imported into the ABAQUS to have a finite element analysis , at last I puts forward optimized scheme for the equipment by using the professional knowledge !

The purpose of this article is mainly to Creating models and give a finite element analysis for the Ⅱ type water plugging pile positioning. in modeling process, I need to have a simply simple rough, stretching, thickening, array, mirror,cutting and other operations by PRO/E to complete creating components and parts. After being created, assembly can complete through simple constraints. in the whole finite element process , the most intractable problem is to divide the model grid, the grid division success or not is directly related to finite element analysis of the success or failure!

Keywords: Finite element PRO/E ABAQUS

第一章 绪论

1.1 水上插桩定位装置研究的背景和目的

在港口、码头或者海堤等处进行基础施工的时候，若将大型砼桩插打入水底施工时，由于砼桩特别重，起吊不方便，在水中定位，又受水流、淤泥、涨潮和落潮等因素的波动影响，定位作业很难实现，因此，必须使用一种具有较强针对性，能够满足此种特殊作业要求的装置系统才能实现，仅靠手工操作是无法完成的。

水上插桩定位装置的发明目的是提供一套水上砼桩起吊定位的插打装置，解决在港口、码头、海堤等水上作业的困难问题。此套装置能够完成安全、多快好省地组织在水面上对各种砼桩的起吊、定位、插打等整个施工过程。

1.2 水上定位装置的工作原理

水上打桩作业首先由陆上起始，逐渐往水中延伸。如图1.1所示：灰色柱体即桩，桩1和2为定位桩，桩3即为即将打入的桩，其余部分则为本课题的主要研究对象——Ⅱ型水上插桩定位装置。如图1.2所示：1、2均为法兰，其通过螺栓固定在定位桩上面，3、4分别为顶梁和连接板，顶梁被孤独定在法兰上，连接板则一端连接顶梁，另一端拉住定位筒，起到限制定位筒在竖直方向位移的作用，5、6均为定位筒，二者用链条连接，通过调节链条长度来调节两个筒的相对位置，从而增强了定位装置的兼容性，可以定位不同长度的桩设备。7、8均为梁，梁主要用来限制定位筒在水平方向的位移，降低水流冲击对筒在水平方向的影响。Ⅱ型水上插桩定位装置主要用来限制进行作业时桩的位置，使桩能够在湍急的水里也能顺利打入！

图1.1 插桩示意图 图1.2 定位装置

1.3 有限元分析的发展历史、现状和趋势

从“有限元”这一名词的出现到现在他在工程上的广泛应用，前后一共经历了三十多年的发展史，他的理论和算法都已经日趋完善。在今天CAD技术得到了大力推广，从自行车到飞机，所有的设计制造没有能离开有限元分析的，FEA在工程设计及分析中将得到了越来越宽泛的重视。国际上早在20世纪 50年代后期、60年代初期就投入了大量的人力和财力去开发具有更强大功能的有限元分析程序。真正有限元软件诞生在70年代早期，世界各地的研究机构发展了一批规模不大，但使用比较灵活、价格比较低的专用或者通用的有限元分析软件，主要有英国的PAFEC、美国的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC、德国的ASKA、法国的SYSTUS和STARDYNE等公司的产品

近15年是有限元软件商品化发展阶段。开发商为了适应计算机软硬件的迅猛发展和满足市场需求，在大力推广其软件的同时，在对软件的功能、性能、用户界面和前后处理能力等方面，都进行了大幅度的扩充和改进。目前市场上知名的有限元分析软件如ANSYS和ABAQUS等，在易用性、可靠性、性能、以及对运行环境的适应性方面，已经基本上满足了大多数用户的需求，也帮助用户解决了成百上千个工程问题，同时为工程应用和科学技术的发展做出了长久而深远的贡献。

纵观当今国际上CAE软件的发展情况，可以看出有限元分析方法的一些发展趋势：

1、与CAD软件的无缝集成。

当今有限元分析软件的发展趋势就是和通用CAD软件的集成使用，就是在用CAD软件完成部件和零件的结构设计后，直接将模型导入到CAE软件中进行有限 元网格划分和参数设置并进行分析计算，假如分析的结果不能满足设计要求则需要重新进行设计和分析，从而极大地提高了效率和设计水平。为了满足工程师快速解决复杂工程问题的要求，许多有限元分析软件均开发了CAD软件的接口。有些有限元软件为了实现和CAD软件的无缝集成，采用了CAD的建模技术，比如ADINA软件采用了基于Parasolid内核的实体建模技术之后，就能和以Parasolid为核心的CAD软件（如 Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks）实现真正无缝的双向数据交换。

2、更为强大的网格处理能力。

有限元法求解问题的根本过程主要有：分析离散化对象、求解、后处理三部分。由于结构离散后网格质量直接影响到求解时间和求解结果的正确性，目前各软件开发商都加大了网格处理方面的投入，大大提高了网格生成的质量和效率，但在对三维实体模型进行自动六面体网格划分以及根据求解结果对模型进行自适应网格划分，除了一些商业软件做得较好外，大部分有限元软件仍没有此功能。自动六面体网格划分是对三维实体模型自动地划分出六面体网格单元来，现在大多数软件都能采用映射、拖拉、扫略等功能生成六面体单元，但这些功能都只能对简单规则模型适用，对于复杂的三维模型就不得不采用自动生成四面体网格划分技术完成四面体单元的划分。对于四面体单元，如果不愿意使用中间节点，就会在很多问题中将会产生不理想的结果，但是如果使用中间节点又会引起收敛速度、求解时间等方面的问题，所以人们迫切希望自动六面体网格功能的出现。自适应性网格的划分是在现有的网格基础上，根据有限元计算结果去估计计算误差、重新划分网格或者再计算的一个循环过程。对于许多工程实际问题，在整个求解过程中，模型的某些区域将会产生很大的应变，引起单元畸变，从而导致求解不能进行下去或求解结果不正确，因此必须进行网格自动重划分。自适应网格往往是许多工程问题如裂纹扩展、薄板成形等大应变分析的必要条件。

3、由线性问题到非线性问题

随着科技的发展,线性理论已经远不能满足当代设计的需求。比如在建筑行业中的高层建筑的出现,就要求考虑结构的大位移和大应变等几何非线性问题;航天工程的高温部件存在热应力和热变形,同时也要考虑材料的非线性问题;比如塑料、橡胶和复合材料等各种新材料的出现,仅靠线性计算理论是远远不足以解决遇到的问题,只能采用非线性有限元算法才能解决。众所周知,非线性的数值计算是相当复杂的,涉及到很多专门的数学问题和运算技巧,不容易被一般工程技术人员所掌握。为此近年来一些国外公司花费了大量的人力和财力开发诸如MARC、ABQUS和ADINA等专长于求解非线性问题的有限元分析软件。他们的共同特点是具有高效的非线性求解器和丰富实用的非线性材料库。

4、由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解

有限元分析方法最早应用于航空航天领域，主要用来求解线性结构问题，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解 对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。现在用于求解结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构非线性、流体动力学和耦合场 问题的求解。例如由于摩擦接触而产生的热问题，金属成形时由于塑性功而产生的热问题,需要结构场和温度场的有限元分析结果交叉迭代求解，即"热力耦合"的 问题。当流体在弯管中流动时，流体压力会使弯管产生变形，而管的变形又反过来影响到流体的流动……这就需要对结构场和流场的有限元分析结果交叉迭代求解， 即所谓"流固耦合"的问题。由于有限元的应用越来越深入，人们关注的问题越来越复杂，耦合场的求解必定成为CAE软件的发展方向。

5、程序面向用户的开放性

随着商业化的提高，各软件开发商为了扩大自己的市场份额，满足用户的需求，在软件的功能、易用性等方面花费了大量的投资，但由于用户的要求千差万别，不管 他们怎样努力也不可能满足所有用户的要求，因此必须给用户一个开放的环境，允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充，包括用户自定义单元特性、用户自定 义材料本构（结构本构、热本构、流体本构）、用户自定义流场边界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等。
第二章 本课题研究的技术平台

2.1 软件工具的选择

随着科学技术的发展，目前市场上的建模软件各式各样，如：Auto CAD、Ug、Solidworks、Pro/E等。在本课题的研究中，需要建立Ⅱ型水上插桩定位装置的实体模型，而课题的侧重点在于对该装置进行有限元分析，因此对实体模型没有过多的细节要求，而Pro/E采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块，因此建模软件我选择了Pro/E。对于进行有限元分析的相关软件，目前市面上也是层出不穷，如：Ansys、Abaqus和Dynaform等。对着常规的现行问题，这三种软件都可以较好地解决，在模型规模限制、计算流程、计算时间等方面都较为接近。而Abaqus相对于Ansys和Dynaform来说，其在求解非线性问题是具有明显的优势。其非线性涵盖聊非线性、集合非线性和状态非线性等多个方面。因此,本课题我选择使用Abaqus来进行完成！

2.2 建模软件—Proe的简介

Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。

2.2.1 Pro/E的相关特性

1、参数化的计

相对于产品来说，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的结构特征，而每一种结构特征，又可以用有限个参数来全约束，这就是参数化的概念。

2、基于特征建模

Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。

3、单一数据库（全相关）

Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整结合，使得每件产品的设计结合起来。这个优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格当然也更便宜。

2.2.2 Pro/E用户界面介绍

图2.1 PRO/E用户界面

PRO/E的主窗口主要包括以下组成不分，如图2.1所示：

（1）标题栏

标题栏显示了PRO/E的版本和当前模型数据库的名称。

（2）工具栏

工具栏提供了菜单功能的快捷应用方式，所有功能都能通过菜单直接访问。

（3）主菜单

菜单栏中包括当前所有肯用的菜单，通过菜单操作，能调用PRO/E的所有功能，用户选择不一样模块的时候，菜单栏中的菜单选项会有所不同。

（4）模型树

模型树直观地展示了模型的组成部分，使用模型树可以很方便地在各种功能模块之间切换，使用大部分功能。

（5）工具区

当用户进入其中一个模块的时候，工具区会显示次功能模块中相应的工具，能帮助用户快速调用次模块的功能。很方便

（6）视图区

模型显示在视图区

（7）提示区

在进行操作的时候，此区会显示相应的信息。

2.3 ABAQUS的相关介绍

ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。达索并购ABAQUS后，将SIMULIA作为其分析产品的新品牌。它是一个协同、开放、集成的多物理场仿真平台。

2.3.1 Abaqus的相关特性

（1）采用CAD方式建模和可视化视窗系统，具有良好的人机交互特性。

（2）强大的模型管理和载荷管理手段，为多任务、多工况实际工程问题的建模和仿真提供了方便。

（3）鉴于接触问题在实际工程中的普遍性，单独设置了连接(interaction)模块，可以精确地模拟实际工程中存在的多种接触问题。

（4）采用了参数化建模方法，为实际工程结构的参数设计与优化，结构修改提供了有力工具。

2.3.2 ABAQUS用户界面的相关介绍

图2.2 ABAQUS用户界面

ABAQUS的用户界面跟PRO/E的大致相同。不同的地方就是ABAQUS比PRO/E多了一个环境栏：

ABAQUS包括一系列功能模块，其中每一模块完成模型的一种特定功能。通过环境的模块列表，可以在各功能模块之间任意切换。环境栏中其他选项是当前正在进行的功能。
第三章 基于PRO/E的Ⅱ型水上插桩定位装置的虚拟建模

3.1 建模方案分析

Ⅱ型水上插桩定位装置虽然各个部件简单，但是结构复杂。建模方法多种多样，但从中筛选出一种合理、明了而又高效的则需要考虑我所研究课题的特点。以此使建模过程简单化、结果明显化，建模的特点也同时深深地影响着利用Abaqus进行的有限元分析。因此，建模的方案选择需要慎重考虑！

Ⅱ型水上插桩定位装置的结构比较复杂，而本课题的侧重点是对该装置进行静力分析，其部件上的倒角，圆角和部分孔以及装配时用于连接的销钉、螺栓和螺母等对分析结果不构成影响，因此在进行建模过程的时候可以不予创建，一方面简化了结构，减轻了工作量，另一方面也极大地降低了有限元分析的难度及复杂程度。

Ⅱ型水上插桩定位装置中用于连接上下两个定位筒的链条在建模过程中我选择省略，原因是在进行有限元分析时，链条的结构相当复杂，而其质量相对于整个装置来说不构成任何影响，可以忽略不计。两个筒在有限元分析软件中我采用绑定策略来替代链条对二者的约束。同时省略的部件还有焊接在定位筒上面的吊耳。

对于结构中的各个部件，有些在结构和尺寸上面是大同小异的，为了减少工作量，我才去先创建零件模型，再装配成整体装置的步骤。

3.2 建模过程

3.2.1 护筒的建模过程

护筒分成上下两个筒，筒壁厚度均为8mm，套筒的内径为720mm，插筒外径716mm，二者长度均为2000mm。在作业过程中，可以通过调节链条长度来改变两筒重合的尺寸，从而达到自由伸缩双筒的目的。

下面以套筒建模为例，说明该装置定位筒的建模过程：

（1）点击菜单栏中的“文件”，选择下拉菜单中的“新建”，或者点击工具栏中的，均可达到新建目的。

（2）在弹出的新建对话框中，类型选择零件，子类型选择实体，然后对部件命名，去掉“使用缺省模块”前的勾选项后点击“确定”按钮。见图3.1。

图3.1 新建部件窗口

（3）点击确定后在弹出的新建选项卡对话框中选择“mmns_part_solid”，其他默认，点击“确定”按钮。见图3.2。

图3.2 新建文件选项窗口

（4）进入建模界面之后，点击右侧工具栏中的，然后鼠标右键长按视图区，在弹出的菜单中选择“定义内部草绘”。然后选择“top”面作为草绘平面，然后点击草绘话框中的“草绘”按钮。见图3.3。

图3.3 草绘窗口

（5）进入草绘界面后选择,然后移动鼠标，锁定坐标系原点后单击一下，然后再点击，选定所画的圆后点击确定，鼠标移动到视图区中的标注尺寸，当其变为绿色是双击，将其尺寸修改为720mm，回车确定。

（6）此时草绘已经完成，鼠标点击左边工具区的，进入拉伸过程。点击左上角的，然后在右边的输入框键入2000mm后点击视图区右上角的。

（7）此时套筒的外形已经建成，通过滚动鼠标滚轮可以进行模型的缩放，点击鼠标中键可以旋转模型。点击菜单栏，在下拉菜单中点击，通过观察模型可以看到加厚的方向，点击黄色箭头可以更改方向，选择往外加厚，点击视图区右上角的。

（8）至此套筒模型创建完毕，见图3.4。点击菜单栏，选择下拉菜单中的，或者直接点击工具栏中的，选择保存路径和文件格式后，保存部件模型。

图3.4 套筒

插筒模型创建的过程跟套筒的一样，只是部分尺寸有所差异。

3.2.2 成型半圆环的建模

相对应于上插筒也有上下两个成型半圆环，成型半圆环的厚度在整体范围内取36mm，板宽200mm，上成型半圆环的内轮廓如图所示3.5。

图3.5 梁草绘尺寸

下面以上成型半圆环为例，说明成型半圆环的建模过程。

新建时设置参数等步骤已在筒的建模中详述，在此不作介绍，直接进入草绘阶段。

（1）鼠标点击，在水平方向坐标轴上于原点两侧画出半径分别为为273mm和367mm的圆。点击，修改圆心到原点的距离为800mm。

（2）在原点上方297mm处沿水平方向画出一条足够长的线段，过该线段上一点任意画一条直线，使其同时交与其中一个圆；同样的方法，过该线段上另一点画与另一个圆相交的直线。

（3）鼠标点击，在弹出的约束对话框中选择，然后选取一个圆和与其相交的直线后在“选取”对话框中点击确定。同样方法，对另一个圆进行相同操作。

（4）鼠标点击，选取其中相交的两条线段，在选取对话框中点击确定。然后修改标注，将其圆弧半径修改为136mm，同样方法，对另两条相交线段进行相同操作。最后将圆弧两端直线的夹角都修改为115度。

（5）过半径为273mm圆的圆心和相应切点画一条直线，并交此圆于两点。

鼠标点击，将多余部分修建掉，完成草绘。

然后通过拉伸，加厚等操作生成实体模型。

（6）将拉伸和加厚生成组，然后鼠标点击，视图左上角选择框中选择方向后选取阵列方向在“top”面，阵列个数输入3，距离输入730mm。点击完成阵列操作。

（7）选择，然后点击，选择“top”面重新进入草绘模式。沿成型半圆环的外边界相应出画出一条200mm长的线段，然后对其进行拉伸加厚等操作，最终完成上成型半圆环的建模过程。见图3.6。

图3.6 成型半圆环

下成型半圆环模型的创建过程跟上成型半圆环的一样，只是部分尺寸和数量有所差异。

3.2.3 顶梁的建模

在进行草绘前选择，然后点击视图左上角的，接下来再进行草绘。

(1)鼠标点击，自原点开始，水平向左截取367mm线段，然后顺次垂直向上截取500mm线段，点击鼠标中键结束。对原点右侧进行同样操作。

(2)鼠标点击，然后分别选取两条线段后点击“确定”。修改倒角标注为124mm。

(3)鼠标点击完成草绘进入拉伸阶段。视图区左上角的输入框中将尺寸修改为160mm后点击完成拉伸操作。

(4)选择菜单栏中“编辑”，在其下拉菜单中选择“加厚”。视图左上角输入框输入24mm，加厚方向选择向里。

(5)点击后鼠标右键长按视图区，选择“自定义草绘”，然后选择“front”面进行草绘。

(6)点击菜单栏中的草绘，在其下拉菜单中选择参照，选取顶梁的下表面后确定。

(7)以竖直坐标轴为中线，左右两侧水平方向分别截取40mm的线段。然后以80mm线段作为一边在顶梁底部面上画邻边分别为80mm，160mm的矩形，倒角半径为20mm。

(8)点击完成草绘，进行拉伸，拉伸长度选择1250mm。点击完成拉伸。

(9)点击后选择，以长柄的上表面为参考平面进行草绘，画出相应尺寸的界面图后进行切除操作，长度选择160mm，点击完成切除。

图3.7 顶板

至此，顶版的建模已经基本完成。见图3.7。对于法兰，连接板等简单部件的建模过程在此就不再一一赘述。

3.3 装配过程

整个装配是一个繁琐的过程，装配部件是不分先后顺序的，我个人是从定位筒开始的，围绕定位筒将其他部件一一加载进来，进行约束与匹配，下面是大致过程：

（1）打开proe软件，菜单栏中选择“文件”，下拉菜单中选择“新建”，或者点击工具栏中的，在弹出的“新建对话框”中“类型”选择“组件”，“子类型”选择“实体”，点击“确定”。见图3.8。

图3.8 新建装配窗口

（2）鼠标点击右侧工具栏中的，在弹出的“打开”对话框中，找到套筒模型所在位置，选择打开，及导入了第一个部件。然后点击来确定。

（3）同样步骤，将上成型半圆环导入，导入之后就会看到两者的位置是任意的。同时按住“ctrl”和“alt”键，用鼠标可以对成型半圆环进行任意拖拽，移动，和旋转等操作。点击视图区左上角的“移动”可以对成型半圆环进行任意移动操作。

（4）点击视图区左上角的“放置”，“约束类型”选择“匹配”，“偏移”选择“重合”。鼠标点击上成型半圆环包裹圆筒的面，然后移动光标到圆筒处，点击一下其外表面，成型半圆环便包裹在筒的外表面了。

（5）点击视图区左上角的“新建约束”，“约束类型”选择“对齐”，“偏移”选择“重合”。先选择成型半圆环所在三维坐标系中的“front”面，然后拖动光标到圆筒所在坐标系的“right”面点击确定。见图3.9。

（6）点击视图区左上角的“新建约束”，“约束类型”选择“匹配”，“偏移”选择“偏距”，距离设为170mm，点击成型半圆环的上表面后再点击筒的上表面确定完成筒和成型半圆环的装配。

图3.9 新建约束

（7）鼠标点击右侧工具栏中的，在弹出的“打开”对话框中，找到插筒模型所在位置，选择打开，开始匹配上插筒。

（8）点击视图区左上角的“放置”，“约束类型”选择“对齐”，“偏移”选择“重合”。鼠标点击插筒的中心轴线，然后移动光标到套筒筒处，点击其中心轴线确定。

（9）点击视图区左上角的“新建约束”，“约束类型”选择“匹配”，“偏移”选择“偏距”。 距离设为30mm，鼠标点击插筒的上表面后移动光标到套筒的下表面处点击确定完成上插筒的装配（插筒和下成型半圆环的装配同套筒和上成型半圆环的装配过程，再次不做赘述）。

（10）鼠标点击右侧工具栏中的，在弹出的“打开”对话框中，找到连接板模型所在位置，选择打开，开始匹配套筒和连接板。

（11）点击视图区左上角的“放置”，“约束类型”选择“匹配”，“偏移”选择“重合”。鼠标点击筒的切削面后移动光标到连接板的内表面，点击一下。

（12）点击视图区左上角的“新建约束”，“约束类型”选择“对齐”，“偏移”选择“重合”。鼠标选择连接板所在三维坐标系中的“right”面，然后拖动光标到圆筒所在坐标系的“front”面点击确定。

（13）点击视图区左上角的“新建约束”，“约束类型”选择“匹配”，“偏移”选择“重合”。鼠标点击连接板的下表面后再点击切削面的下表面确定完成。

顶梁和连接板的匹配以及与法兰的匹配在此就不做一一介绍了，匹配方案都在上面介绍完了，本装置的装配无外乎轴线对齐，面重合以及面偏距。

最终装配的实体模型见图3.10

图3.10 装配图
第四章 baqus的Ⅱ型水上插桩定位装置的有限元分析

4.1 模型导入abaqus的方案分析

ABAQUS的自带建模功能在分析软件中是首屈一指的，简单的三维造型可以利用PART的模块直接做出来！如果利用abaqus创建复杂的三维造型，其操作的可行性就远不如利用专业的建模软件。如Proe、UG、Soildworks等，考虑到本课题中所研究装置结构的复杂性，我选择使用三维建模功能强大的Proe软件建模，之后再导入到abaqus里进行分析。

导入Abaqus主要有两种方式，一是直接导入装配图，二是导入部件图之后再在分析软件中进行装配！考虑到abaqus软件划分网格的特点以及本课题中所研究装置结构的复杂性，我选择第二种方式进行导入分析。

4.2 分析过程

由于要导入部件图，所以需要在proe保存文档的时候选择abaqus支持导入的文件格式，于是我选择了“stp”格式。后来我发现，在proe中装配好的模型，以导入部件方式导入到abaqus中后再去装配的时候，各个部件的位置是相对不变的，这给abaqus中装配部件和添加约束都带来了极大的便利！于是，在proe存档之前，我先把各个部件的相对位置定位得分毫不差，以至于后期分析着实给我减轻了极大的负担。

4.2.1 部件导入

点击菜单栏中的，在下拉菜单中选择，再在“导入”的级联菜单选择，找到存放的stp格式文件，选择确定。在弹出的对话框中选择确定。经过一段时间扫描，所有部件就都导入到了abaqus里面。

4.2.2 创造材料和截面属性

在窗口左上角的“模块”列表中，选择“属性”功能模块，定义材料步骤如下：

（1） 创建材料

① 点击左侧工具区中的，或者在主菜单选择“材料”，在其下拉菜单中选择“创建”。同样，也可以双击左侧模型树中的“材料”来完成此项操作。

② 在弹出的“编辑材料”对话框中选择“通用”，在其对应的下拉菜单中点击“密度”，在相应的框中键入“7.85e-12”。然后点击力学，下拉菜单中选择“弹性”，在弹性的级联菜单中仍选择“弹性”，在“杨氏模量”输入框中键入210000，泊松比输入框中键入0.3。其他的不需要改变，点击“确定”。

图3.8 编辑密度 图3.9 编辑模量、尺寸

（2） 创建界面属性

点击左侧工具区中的，或者在主菜单中选择“截面”，在其下拉菜单中选择“创建”。同样，也可以双击左侧模型树中的“截面”来完成此项操作。保持默认参数不变，点击“继续”，在弹出的“编辑截面”对话框中，保持默认参数不变，点击“确定”。

（3） 及部件赋予界面属性

点击左侧工具区中的，或者在主菜单中选择“指派”，在其对应的下拉菜单中点击“截面”点击视图区中的部件模型，ABAQUS以红色高亮显示被选中的实体边界，在试图去中点击鼠标中建，弹出“编辑界面指派”对话框，点击“确定”。

4.2.3 定义装配件

整个分析模型是一个装配件，在部件功能模块中创建的各个部件将在装配功能模块中装配起来。

在装口左上角的“模块”列表中选择“装配”功能模块。点击左侧工具去中的，或在主菜单中选择“实例”，在其下拉菜单中选择“创建”。也可以直接点击左侧模型树中左侧的“＋”，然后双击其下一层的来完成此项操作。

在弹出的“创建实例”对话框中，将导入的部件一一选中后，点击“确定”，完成装配过程。

图4.1 添加部件

4.2.4 定义相互作用

模型虽然在abaqus中完成了装配过程，但部件之间只有几何位置的关系，并不存在力上的约束，所以需要对各个接触部件之间定义相互作用。

在窗口左上角的“模块”列表中选择“相互接触”功能模块。点击左侧工具区的，或者或者在主菜单中选择“约束”，在其下拉菜单中选择“创建”。也可以直接双击左侧模型树中的来完成此项操作。

在弹出的“创建约束”对话框中，类型选择“绑定”，点击“继续”，视图右下角会提示“选择主表面类型”，在本课题中都是选择面，然后对相应部件之间的接触面进行逐个选择，最后点击鼠标中键确定。

4.2.5 设置分析步

ABAQUS会自动创建一个初始分析步（initial step），可以在其中施加边界条件。用户还必须创建后续分析部，用来施加载荷。

在窗口左上角的“模块”列表中选择“分析步”功能模块。点击左侧工具区的，或者在主菜单中选择“分析步”，在其下拉菜单中选择“创建”。也可以直接双击左侧模型树中的来完成此项操作。

在弹出的“创建分析步”对话框中，分析步类型选择“通用”，在其对应的菜单选项中选择“静力，通用”后点击“继续”在弹出的“编辑分析步”对话框中，保持个参数的默认值，点击“确定”。见图4.2。

图4.2 创建约束

4.2.6 定义边界条件和载荷

在窗口左上角的“模块”列表中选择“载荷”功能模块，定义边界条件和载荷。

（1）施加载荷

（1）

式中，Fw——流水压力标准值；

K——形状系数，根据文献中表4.3.8，圆形为0.8，取0.8；

A——钢护筒阻水面积；

——水的容重，取9.8kN/m3；

v——水的速度；

g——重力加速度9.8（m/s2）

选取A=1 m2， v =3 m/s2。将相应数据代入（1）式，则P= Fw =3600Pa

点击左侧工具区中的，或者在主菜单中选择“载荷”，在其对下拉菜单中选择“创建”。也可以直接双击左侧模型树中的来完成此项操作。在弹出的“创建载荷”对话框中选择“重力”，见图4.3。点击“继续”，在弹出的“编辑载荷”对话框中分量2所对应的输入框中填写-9800。点击“确定”，重力即加载完成。

图4.3创建载荷1 4.4 创建载荷2

点击左侧工具区中的，或者在主菜单中选择“载荷”，在其对下拉菜单中选择“创建”。也可以直接双击左侧模型树中的来完成此项操作。在弹出的“创建载荷”对话框中选择“表面载荷”，力的大小填写3600，此时水流冲击力加载完成。

（2） 定义装置的边界条件

点击左侧工具区中的，在弹出的“创建边界条件”中选择“力学”和“位移/转角”，点击“继续”，视图区左下角会提示“选择要施加边界条件的区域”，点击两个法兰的上表面，ABAQUS以红色高亮显示被选中的面，在视图区中点击鼠标中建确定。在弹出的“编辑边界条件”对话框中，同时在U1、U2和U3前面框中打勾后点击“确定”。

图4.5 创建边界条件1 图4.5 创建边界条件2

4.2.7 划分网格

（1）进入网格模块

在窗口左上角的“模块”列表中选择“网格”功能模块，在窗口顶部的环境栏中把对象选项设为“部件”，只有这样才能对各个部件进行网格划分，而不是对整个装配件划分网格（定位装置是非独立实体）。

（2） 分割部件

当部件显示为橙色，表明无法使用默认的网格划分技术来生成网格，需要首先把部件分割成为几个简单的区域，然后在每个区域上分别生成结构化网格或者扫略网格。

对于分割部件，点击左侧工具区的 ，然后点击窗口地步提示区中的“怎样指定平面”选择一点及法线进行相应操作，当这种分割方法不能满足要求时可以尝试三个点或者垂直于边的方式来分割部件。当分割区域显示为黄色的时候，表明该区域已经可以生成扫略网格。对复杂部件不断分割，直至所有区域都显示为黄色，表示所有区域都可以生成扫略网格为止。

（3） 设置全局种子

点击左侧工具区的，在弹出的“全局种子”对话框中，默认参数点击确定，视图区中会显示出全局种子。

（4） 设置网格参数

点击左侧工具区中的，按住鼠标左键，在弹出的“网格控制属性”对话框中，默认参数见图4.6。

图4.6 划分网格

点击确定来确认上述参数。

（5） 设置单元类型

点击左侧工具区中的，在弹出的“单元类型”对话框中，将“几何节次”设置为“二次”，保持其他参数不变，点击确定。

（6） 划分网格

点击左侧工具区中的，然后点击窗口地步提示区中的“要为部件划分网格吗”后面的“是”，完成网格的划分。装配图被划分网格之后的样子见图4.7。

图4.7 成功划分网格

4.2.8 提交分析作业

创建分析作业

在窗口左上角的“模块”列表中选择“作业”功能模块，点击左侧工具区中的在弹出的“作业管理器”的对话框中选择“创建”，创建后选择“数据检查”，等待检查通过后方可提交。提交完成后就可以直接点击结果了。

4.2.9 分析

（1）分析方案的制定

分析内容主要是装配体的应力和形变。初步判断其承载和变形最大的地方就在连接板和顶梁上。装置所受外力中，重力是固定的，而水流冲击力则随水位的变化而改变。我选择固定顶板和连接板的位置来改变水位的方案去分析得出装置应力和形变最大时的水位。然后将水位固定在最大处去改变顶板和连接板的位置，从而分析得出该装置能否满足最最大承载和形变时的要求。

（2）数据对比

①顶板固定在连接板最上端，改变水位。

图4.8 工况1

在工况1的情况下，水位设定在本研究区域的最底端，顶板在连接板的最上端，应力图和位移变形图见图4.8.

图4.9 工况2

在工况2的情况下，相对于工况水位再上升12cm，顶板仍然在连接板的最上端，应力图和位移变形图见图4.9.

图4.10 工况3

在工况3的情况下，相对于工况2水位再上升12cm，顶板仍然在连接板的最上端，应力图和位移变形图见图4.10.

图4.11 工况4

在工况4的情况下，相对于工况3水位再上升12cm，顶板仍然在连接板的最上端，应力图和位移变形图见图4.11.

图4.12 工况5

在工况5的情况下，相对于工况4水位再上升12cm，顶板仍然在连接板的最上端，应力图和位移变形图见图4.12.

图4.13 工况6

在工况6的情况下，水位达到最大位置—水位线，顶板仍然在连接板的最上端，应力图和位移变形图见图4.13.

②固定水位在水位线，改变顶梁的位置。

图4.14 工况7

在工况7的情况下，水位达到最大位置—水位线，相对于工况6，顶板下17cm，应力图和位移变形图见图4.14.

图4.15 工况8

在工况1的情况下，水位达到最大位置—水位线，相对于工况7，顶板下移17cm，应力图和位移变形图见图4.15.

（3）数据分析

对比①情况下的工况1—工况6的数据，随着水位的上升，该装置的最大应力和位移均有小幅度的波动，但大体上是呈上升趋势，直到水位达到最高，应力和位移均达到最大值。但数值均在材料的许用范围内，符合要求。但可断定，装置的应力和位移最大值的出现在水位最大处。但在此种情况下材料符合要求并不能说明该定位装置的设计就完全符合要求了，于是我有做了②情况下的一组数据来加以对比。

②情况下的数据是在水位达到最大值的时候测量的。与①情况下的不同之处在于二者顶梁的位置不同。对比工况6—工况8的数据我们不难发现，在工况7的情况下，应力达到了最大值，已经超过了材料的需用应力161兆帕。在该情况下，材料是不符合施工要求的。

该定位装置最大变形位置在同与成型半圆环外端的接触位置，发生最大变形的情况是顶梁位于连接板顶端，水位打到最大时。变形为5mm，应变小于1%，符合要求。

表4.1

备注：表中水位数值较前一工况增加12cm。

第五章 提出优化方案

应力在工况7下超出了材料的需用应力，从应力云图上可以看出，最大应力发生在连接板与顶梁接触位置的下方，见图5.1。所以次定位装置需要优化的地方就在于连接板。鉴于此，我提出以下优化优化方案：

1 换材料，只需把连接板的刚材料换成其他许用应力比较大的种类即可。

2 对Q235A刚材料进行特殊热处理，增大其许用应力。

3 加厚连接板的厚度。

4 在不影响定位装置安全性的情况下，适当减小成型半圆环的厚度，从而达到见小重力的目的。

5 在施工时候尽量错开顶梁与连接板的连接位置不在工况7情况下的位置。

图5.1 应力分布图
第六章 总结

毕业设计即将完成，回顾一下整个过程，自己学到的真的很多。本次研究课题是插桩定位装置的有限元分析，作为一个一直致力于单片机研究的机电方向的学生突然跨行搞有限元分析，开始时着实有点不知所措。但随着一个个迷团被打开，我小小的成就感也油然而生。有限元分析也变得不再那么神圣和遥不可及了。

我首先学习了proe建模，开始时就学习了草绘中的一些简单的命令，如画直线，线段，圆弧，圆，倒角，后来又学习了倒角，加约束等。最后就是进行三维实体的建模，如拉伸，加厚，镜像，阵列等命令。对proe操作熟悉之后我就开始进行实体建模，先后创建了定位筒，梁，顶梁，法兰等零部件的模型，装置的所有部件都建造完毕之后我又学习了装配。

等到建模完成后我又学习了另一个软件：abaqus。这个软件在业界是享有很高知名度的，所以我学习的特别用心，对软件使用的每一步都熟记于心。我所完成的过程主要包括部件导入，定义材料属性，装配，设置分析步，加载荷，划分网格，提交作业然后进行分析。包括对装配提变形前后的位移图和应力图等的分析。

本次毕业设计学到的相关知识一定会对我日后的工作带来深渊的影响，同时我也认识到了自学能力以及分析问题和解决问题能力的重要性。

致 谢

毕业设计是大学本科期间最为重要也最能锻炼人的一项艰巨而严峻的任务，最终能够顺利完成，使我颇感欣慰！设计过程就是一个不断克服困难，迎刃而上的艰难旅途，旅途中只凭借我一己之力是远远不能到达终点的，在这里我要向其间给予我帮助的老师、同学和一些素昧平生的热心网友致以最真诚的感谢！

首先要感谢的是侯艳君，吴林峰和郝用兴三位老师。本次毕业设计实在他们的悉心指导下完成的。从大四上学期末侯艳君老师就给我们详细讲解了大四下学期的任务布置安排，才使得我的毕业设计能够有条不紊地顺利完成。大四下学期一开学，我们设计组就在侯艳君老师和吴林峰老师的带领下进行毕业实习，在实习地点我们见到了毕业设计中需要我们建模分析的实体装置，两位老师为我们耐心地讲解毕业设计中需要知道的相关知识，使我们对设计题目有了初步地认识。在建模和分析过程中我遇到了难以克服的难题，郝用兴老师在我举步维艰的时候给予了我最及时最得力的帮助，拨开迷雾，使我逐渐靠近成功的彼岸。设计旅途中还有一群最可爱的人陪伴我走过，他们就是乐于助人的热心网友。他们帮我解决了很多设计过程中出现的细节问题，非常感谢他们！

最后还要感谢我的同学和室友，从软件的下载、安装和破解到利用软件建模和分析，给予我最大帮助的就是这批在我时长出现在我大学生活中的人！

再次向给予我帮助的人致以最诚挚的谢意！

参考文献

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[11] 石亦平，曹金凤. ABAQUS有限元分析常见问题解答[M] . 北京：机械工业出版社，2009，01

附 录

附录一：英文原文

A Study on Buckling of Filament-Wound Cylindrical Shells under Hydrostatic External Pressure using Finite Element Analysis and Buckling Formula

This study is aimed at representing efficient buckling analysis method by analyzing the buckling behavior and the buckling pressure of filament-wound cylindrical shell. First, finite element analysis was conducted to find the buckling pressure and the buckling behavior on the stacking angles of [±30/90]FW, [±45/90]FW and [±60/90]FW. The buckling formula (ASME 2007, NASA SP-8007) was employed to find the buckling pressure. These results were compared and verified through hydrostatic pressure buckling experiments. Second, the values of buckling formula and buckling pressure values of finite element analysis were compared, while the stacking angle was made to change by 5 degrees from 20 to 70 degrees.

According to the conducted finite element analysis, stacking property showed the safety factor of about 1.0 at the buckling pressure values of such filament-wound stacking angles as [±30/90]FW, [±45/90]FW, and [±60/90]FW. ASME 2007 buckling formula showed the safety factor ranging from 1.84 to 2.76. On comparison, the values of the NASA SP-8007 formula showed relatively low safety factors ranging from 1.2 to 1.45.

1. Introduction

A pressure-resistant hull has a stiffened cylindrical shell structure whose both ends have round or oval shells to withstand high external hydrostatic pressure. A shell is one of the most commonly found structures in ships, submarines, airplanes and the domes of many buildings. Many studies have been done to analyze the shell structure and various theories on shells have been presented. Especially, when pressure load is placed on a shell structure, buckling takes place even when the stress is much smaller than the material strength. This is likely to cause such significant problems that various studies on the buckling under pressure load have been conducted.

A structure designed to withstand an undergo pressure, like a submarine, has mainly been built with metal. A structure made of metal requires 40% of the total buoyancy to support a hull weight. This kind of structure is called a weight sensitive structure. In this study, a composite was used as the main material of the hull to reduce the hull weight and extend the diving depth. Kim and Kweon conducted the study on the modified arc-length method for the nonlinear analysis of the composite shell.5 Kim and Cho conducted the study on stacking angles and equivalent material pressure among composite analysis techniques.6 Lee, Jun and Oh carried out the study on properties of the cylindrical composite shell on vibration, buckling strength and impact strength, and then continued the study on optimum design.In this study, the effective design method for the composite cylinder buckling due to external pressure is suggested by comparing two kinds of buckling formulas, finite element analysis and experimental results. First, the buckling formula of ASME Code was used to find buckling pressure values under the stacking angles ranging from 20 to 70 degrees. then finite element analysis was used to monitor buckling pressure and buckling behavior at such angles as [±30/90]FW, [±45/90]FW and [±60/90]FW. In addition, hydrostatic buckling experiments were conducted in order to verify buckling pressure values. So as to conduct the finite element analysis, the methods to find the material property of filamentwound composites were two; the stacking material property method in which the thickness of each ply and the stacking order are considered, and the equivalent material property method.

2. Numerical Analysis

In order to anticipate the buckling pressure of filament-wound composites on which external pressure is placed, finite element analysis and buckling formula (ASME 2007, NASA SP-8007) are used. And hydrostatic buckling experiments were conducted to verify the anticipated values. Filament-wound stacking angles were [±30/90], [±45/90] and [±60/90]. Finite element analysis and buckling formula (ASME 2007, NASA SP-8007) were used to monitor buckling pressures subject to various stacking angles which change by 5 degrees from [±20/90] to [±70/90]. In finite element analysis, equivalent material properties and stacking material properties were used, while in buckling formula, equivalent material properties were used.

2.1 Buckling Pressure by Buckling Formula (ASME 2007)

In order to verify the buckling formula, the buckling pressure values were calculated by applying various angles changing by 5 degrees from [±20/90] to [±70/90]. The dimension of composite and the cylindrical shell used to calculate the buckling pressure is represented on Table 1. The calculation order of buckling formula is as following.

(1) Calculation for equivalent material property

The material properties of T700 and equivalent material properties of [±30/90]FW used in filament-wound composite are represented on Table 2 and Table 3. MSC.Patran was used to calculate equivalent material property, to which classic stacking shell theories are applied.

(2) Calculation of ABD matrix

ABD matrix of stacking angle [±30/90]FW was represented on Fig. 1.

(3) Calculation of Bucking Pressure

Bucking pressure was calculated by using the equation (15)

Pcr = 2.29 MPa

(4) Calculation of ABD inverse matrix

ABD matrix was represented on Fig. 2.

2.2 Buckling Pressure by Buckling Formula (NASA SP-8007)

The same calculation process as the one from (1) to (3) in the

ASME 2007 buckling pressure formula is applied.

(1) Calculation of C matrix

After the total 30 modes were calculated, the minimum values were calculated by using numerical analysis technique. The result is shown in the Table 4.

2.3 Finite Element Analysis

In this study, linear buckling analysis and nonlinear buckling analysis were employed as a buckling analysis technique. In linear buckling analysis, eigen value analysis was conducted and the eigen value of the first mode was used as the buckling pressure. In nonlinear buckling analysis, initial imperfection methods and Riks methods were used. Nonlinear buckling analysis was conducted by applying little displacement of the first mode as an initial condition.

Finite element analysis was conducted on the experiment specimen with the same dimension at such angles as [±30/90], [±45/90] and [±60/90]. Linear buckling analysis and nonlinear buckling analysis were conducted to compare experiment values and buckling pressure formula. In order to check the validity of buckling pressure formula, buckling pressure values were drawn at the stacking angles changing by 5 degrees from 20 degrees to 70 degrees. Linear buckling analysis was conducted in two different ways; the buckling pressure in which the material properties of Table 2 were applied to the each stacking thickness and the other buckling pressure, in which the material properties were equivalently applied. The result was compared with the buckling pressure formula.

3. Hydrostatic Buckling Experiment

The experiment was conducted to verify the buckling pressure values by finite element analysis.

3.1 Manufacturing of the Specimen

12 cylindrical composite vessel hulls with 8[mm] thick panels were built by a filament wound technique. All specimens are manufactured by INOCOM Co., Professional composite product manufacturing company. Winding angles were 4 [±30/90], 4[±45/90] and 4 [±60/90]. ±30, ±45 and ±60 are an angle of winding for helical winding layer and 90 means hoop winding layer. All specimens are designed 0.8 mm hoop winding layer that is 10% of thickness. The average of measured specimens is 18.5% for [±30/90], 12.1% for [±45/90] and 12.8% for [±60/90]. Fig. 4 shows the specimen used in the experiment. A steel flange was installed on the left side of the composite cylinder. All specimens were coated with waterproof urethane following the installation of a flange and a cover to prevent water 。Fig. 5 shows the sketch of die and flange.

3.2 Experiment Method

In the longitudinal middle of each experiment model, 2 strain gauges were attached at each angle of 0°, 90°, 180° and 270° in the circumferential direction and in the longitudinal direction. The values on both the strain gauge and the axial displacement gauge were measured while the experiment pressure increased from 0.1 to 0.3[MPa]. In order to check the cylindrical shell behavior after buckling took place, a pressure more than buckling pressure was used.

4. Result and Review

4.1 Finite Element Analysis and Buckling Analysis Subject to Buckling Pressure Formula

The buckling analysis results were subject to buckling pressure formula and finite element analysis on filament-wound cylindrical composite shells, when the stacking angles were at [±30/90], [±45/90] and [±60/90], are in Table 6. At the stacking angle of [±30/90], the safety factors of the buckling pressure values were 1.84 in the ASME 2007 formula and 1.39 in the NASA formula. The safety factor of the ANSYS linear and nonlinear analysis was about 1. The safety factors of buckling pressure values in the ASME 2007 formula and the NASA formula at the stacking angle of [±60/90] were 2.76 and 1.45 respectively. The safety factor of ANSYS linear and nonlinear analysis was about 1. Fig. 6 shows the buckling pressure, displacement, curve

and post-buckling behavior.

4.2 Analysis Results of Linear Buckling at Each Stacking Angle

Buckling pressure values were found at each stacking angle by using the ASME 2007 formula and the NASA SP-8007 formula. Experiment and finite element analysis results were compared at the stacking angle changing by 5 degrees based on the filament-wound angle from [±20/90] to [±70/90]. Fig. 7 and Table 7 show the results.

The safety factor of the NASA SP-8007 formula, compared to the finite element analysis values of each stacking layer, was within 0.81~1.38. In the finite element analysis to which equivalent material property was given, the safety factor was within 0.8~0.97. The ASME 2007 formula had the highest safety factor. This seems

to be because the ASME 2007 formula is a simplified version of the NASA SP-8007 formula.

As a result of the finite element analysis, the buckling pressure values of the stacking material property and the equivalent material property increased as the stacking angle increased. In the ASME 2007 formula, the buckling pressure values increased relatively slowly. The buckling pressure values of the NASA SP-8007 formula increased. The buckling pressure values are obtained by successively changing the buckling constants, m and n, from 1 to

30 and the minimum value became the final buckling pressure value.

5. Conclusion

The objective of this study is to find the effective design method for the buckling pressure and to understand the behavior of the filament-wound cylindrical shell on which external hydrostatic pressure is placed and to represent an effective buckling analysis method. Through this study, the following conclusion was reached.

(1) The buckling design safety factor was 1.0 when the buckling analysis was conducted at such filament-wound angles as [±30/90]FW, [±45/90]FW and [±60/90]FW and the buckling pressure values were compared through the hydrostatic pressure buckling experiment. In the ASME 2007 buckling pressure formula, the safety factor was between 1.8~2.6 while in the NASA SP-8007 buckling pressure formula safety factor was between 1.2~1.45. Therefore, the buckling pressure values by finite element analysis are best in tune with the values obtained from real experiments.

(2) In the buckling analysis that was subject to different stacking angles, the finite element analysis to which equivalent stacking material properties were given has a safety factor between 0.8~0.97, while the safety factors in the ASME 2007 formula and in the NASA SP-8007 formula are 1.8~2.9 and 0.81~1.35 respectively. The ASME 2007 formula has the highest safety factor. This is because ASME 2007 formula is a simplified version of NASA SP 8007 formula.

(3) As a result of the finite analysis subjected to different

stacking angles, the buckling pressure increases as the stacking angles rise. However, it is thought that failure analysis along with finite analysis should be conducted to anticipate more accurate and true buckling pressures subject to stacking angles.

ACKNOWLEDGEMENT

This work was supported by the Underwater Vehicle Research Center (UVRC) of the Defense Acquisition Program Administration (DAPA) and the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korean Government

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10. NASA Space Vehicle Design Criteria, “Buckling of Thin-Walled Circular Cylinders,” NASA SP-8007, pp. 19-21, 1968.

附录二：英文译文

一个有关在静水外压下用有限元和屈曲变形公式分析的纤维缠绕圆筒的屈曲研究

摘要

本研究旨在通过分析屈曲行为和缠绕筒壳的屈曲压力来表述有效的屈曲分析方法。首先，有限元分析是为了发现在[±30/90]FW, [±45/90]FW 和[±60/90]FW的叠加角度上产生的屈曲压力和屈曲行为而进行的。屈曲公式(ASME 2007, NASA SP-8007)是用来发现屈曲压力的，结果通过静水压力屈曲实验来比较和验证。其次,在堆积角以5度步长从20度到70度改变的过程中，将屈曲公式值和有限元分析的屈曲压力值进行比较。

根据完成的有限元分析来看，叠加特性显示了在缠绕堆积角为[±30/90]FW, [±45/90]FW, 和 [±60/90]FW的时候的屈曲压力值的安全系数约为1.0. ASME 2007屈曲公式显示了1.2到1.45的相对较低的安全系数。

1、引言

耐压船体拥有两端带有椭圆形或者圆形的用以承受高静水压力的坚硬圆柱筒壳。壳体是在船舶、飞机、潜艇和许多圆顶建筑中是最常见的结构，许多对壳体结构的分析已经成熟，多种有关壳体的理论已经发表。尤其，当压力负载作用于壳体结构尤其在压力低于材料强度的时候，屈曲就会发生。这可能会导致各种有关在压力载荷作用下发生屈曲的显著问题。

对于承受压力的结构设计，就像一个主要由金属构建的潜艇。一个由金属构建的结构要求总浮力的40%来支撑整个船体的重量。这种结构叫做重量敏感结构。在这个研究中，复合材料被用来作为船体的主要材料来减轻船体重量，延长潜水深度。

Kim 和 Kweon用弧长法对复合材料壳体进行了非线性分析的研究。Kim 和 Cho进行了复合材料圆柱壳的振动特性研究，屈曲强度和冲击强度，然后继续优化设计研究。在这项研究中，由于外压屈曲复合材料圆筒的有效设计方法是通过比较两种屈曲计算公式，有限元分析和实验结果。首先，ASME屈曲公式代码是用来寻找在堆垛失稳压力值角度范围从20到70度。然后，有限元分析用于监控屈曲压力和屈曲行为30 / 90 ]为[±FW等角度，[±45 / 90 ]和[±FW 60 / 90 ] FW。此外，进行了静力屈曲实验，以验证临界压力值，进行有限元分析时发现，对纤维缠绕复合材料的材料性能的方法有两个，叠层材料性能的方法和等效材料性能的方法。

2、数值分析

为了验证屈曲公式,屈曲压力值是通过运用各种角度从[±20/90][±70/90)改变5度来计算的。用来计算屈曲压力的复合和圆柱壳的数值如表1。计算订单的屈曲公式如下。

(1)等效材料属性的计算

T700的材料性能和在纤维缠绕复合材料的[±的30/90]FW的等效材料属性属性如表2和表3，基于经典的堆积壳理论的MSC Patran被用来计算等效材料属性。

（2）ABD最大值的计算

[±30/90]FW的堆积角的ABD的最大值如图1

（3）屈曲压力的计算

屈曲压力用方程式（15）计算

Pcr = 2.29 MPa

（4）ABD逆矩阵的计算

ABD矩阵如图2

2.2 通过屈曲公式计算屈曲压力(NASA SP-8007)

在ASME 2007中，从（1）到（3）中同样的计算过程被应用

（1）C矩阵的计算

总共30种计算之后，最小值采用数值分析技术计算，结果如表4所示。

（2）失稳压力的计算

在厚板复合圆柱壳上，ANSYS 11（经典），商业代码被用来进行有限元分析，壳单元（shell181），可以应用于复合材料非线性和材料特性。非线性和线性屈曲分析都进行了比较实验值，应用于静水压力试验的圆柱壳的尺寸如表4

2.3 有限元分析

在这项研究中,线性屈曲分析和非线性屈曲分析被聘为屈曲分析技术。在线性屈曲分析中，进行本征值分析和第一个模式的本征值被用来作为失稳压力。在非线性屈曲分析,初始缺陷的方法和瑞克斯方法被使用。非线性屈曲分析通过应用第一模式的小位移作为一个初始条件进行的。

3、静力屈曲实验

实验通过有限元分析来验证屈曲压力值

3.1 标本的制作

12复合材料的8毫米厚面板的船体由纤维缠绕技术建造。所有的标本都是由专业的复合材料制造公司-inocom制造有限公司制造。缠绕角为4 [±30/90], 4[±45/90] 和 4 [±60/90]。±30, ±45 和 ±60是螺旋缠绕层和90环向缠绕层的缠绕角。所有的试样设计成0.8mm的环向缠绕层，相当于厚度的10%。测量试样的平均是[±30/90]的18%， [±45/90]的12.1% 和[±60/90]的12.8%。图4中展示了试验中使用的样品。钢法兰安装在复合材料的左侧。所有标本均涂有防水聚氨酯，法兰和盖子下面的装置用来防止水，图5展示了模具和法兰的草图。

3.2 试验方法

在每个实验模型纵向的中部，2个应变计附着于圆周方向和纵向方向的0°, 90°, 180° 和 270°的每个角度。当实验压力增加到0.1到0.3mpa的范围内，应变计和轴向位移的值就被测量，为了检查屈曲发生后筒壳的表现，要测量超过屈曲压力的压力值。

4、结果和审查

4.1 有限元分析和屈曲分析适用于屈曲压力公式

当堆积角是[±30/90],[±45/90] 和 [±60/90]的时候，屈曲分析结果服从于屈曲压力公式和符合材料壳体，如表6所示。

对于[±30/90]的堆积角，屈曲压力值的安全因素在ASME 2007公式中是1.84，在美国宇航局的公式中是1.39，线性和非线性分析的安全系数均为1。在ASME 2007公式和NASA公式中，堆积角为[±60/90]的屈曲压力值的安全系数分别是2.76和1.45，

线性和非线性分析的安全系数约为1，图6显示了屈曲压力，位移，曲线及后屈曲行为

4.2 各个堆积角的线形屈曲分析结果

使用ASME 2007公式和NASA sp-8007公式，屈曲临界压力值在每个堆积角被发现。在堆积角改变5度的基础上，实验和有限元分析的结果进行了比较。结果显示在图7和表7

与每个叠层有限元分析值相比，NASA SP-8007公式的安全系数在0.81~1.38之间，等效材料的属性在有限元分析中已给出，安全系数在0.8~0.97之间，ASME 2007公式有最高的安全系数。这似乎是因为2007 ASME公式是NASA SP-8007的一个简化版本。

作为有限元分析的结果，层叠材料的属性和等效材料属性的屈曲压力值能随着堆积角的增加而增加。在ASME 2007公式中，屈曲压力值增加的相对慢一些 。NASA SP-8007公式的屈曲压力值增加。屈曲压力值通过依次改变屈曲接触而获得，m和n，从1到30和最小值成为最终的屈曲压力值

5、总结

本研究的目的是为屈曲压力找到有效的设计方法，理解纤维缠绕圆柱壳在静水外施加压力时的表现以及表述一种有效的屈曲分析方法。通过本次研究，得出以下结论：

（1）当屈曲分析在[±30/90]FW, [±45/90]FW 和 [±60/90]FW的纤维缠绕角度的情况下，屈曲的设计安全系数为1.0，屈曲压力值通过静水压力屈曲试验加以对比。在ASME 2007屈曲压力公式中，安全系数在1.8~2.6之间，而在NASA SP-8007屈曲压力公式中的安全系数在1.2~1.45之间.因此，由有限元分析获得的屈曲压力值是从真正实验获得的最好值

（2）在针对不同堆积角的屈曲分析中，等效叠层材料性能的有限元分析拥有0.8~0.97的安全系数，而在ASME 2007公式和NASA SP-8007公式中的安全系数分别达到1.8~2.9和0.81~1.35。ASME 2007公式有更高的安全系数。因为ASME 2007公式是NASA SP8007公式的简化版。

（3）由于有限元分析的堆积角不同，屈曲压力随堆积角的上升而增长，然后，故障分析和有限元分析应该进行更精准更真实地预测堆积角所受的屈曲压力。

致 谢

这项工作由国防采办计划管理（水下机器人研究中心支持DAPA）和韩国国家研究基金会（NRF）韩国政府资助（批准号k20702001648—10e0100-07010）。

附录三：设计任务书

毕业设计（论文）任务书

（基于ABAQUS的Ⅱ型水上插桩定位装置的有限元分析）

一、毕业设计（论文）目的

1.培养学生综合运用所学的基础知识、基本理论和基本技能去分析和解决本专业领域内具有一定难度的实际问题；

2.培养学生严肃认真的科学态度和严谨踏实的工作作风；

3.培养学生诚实守信、团结协作精神和独立工作能力；

4.培养学生自主学习能力、创新能力、实践能力、综合分析问题与解决问题能力和初步科学研究能力。

二、主要内容

1.研究当前插桩定位方法的发展现状及存在的问题。

2.了解黄河中下游相关知识。

3.学习有限元分析原理，掌握有限元分析方法，熟悉ABAQUS软件的应用。

4.对水上插桩快速定位装置进行三维有限元分析。

5.根据分析结果对结构进行优化。

三、重点研究问题

1.水上插桩快速定位装置的三维建模

2.水上插桩快速定位装置的有限元分析

3.结构优化

四、主要技术指标或主要参数

1.插桩环境：黄河中下游河道

2.桩：预制管桩，外径500mm，内径300mm，长24米

3.桩距：桩与桩净距300mm，即桩与桩中心距为800mm

4.水上插桩快速定位装置的基本结构尺寸（由指导老师提供）

五、基本要求

对水上插桩快速定位装置进行三维实体建模，采用ABAQUS软件对不同工况下进行有限元分析，并根据分析结果进行优化。建模软件不限制，可以用UG、Pro/E等建模，然后导入ABAQUS软件中做有限元分析，或直接用ABAQUS软件建模。

指导教师： 2013年2月22日

附录四：开题报告

华北水利水电大学本科生毕业设计开题报告

2013-3-1

ABAQUS的型插桩定位装置的有限元分析 毕业设计