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新游艇钻机的碳纤维桅杆、转动架和动臂构件的设计

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Carbonworks的客户之一要求他们设计正兴建于澳大利亚黄金海岸的一艘49英尺(约合15米)长的快速巡航游艇的碳纤维桅杆、转动架和动臂构件,并监督它们的施工。为了帮助优化钻机的设计,将使用LUSAS Composite对结构进行线性屈曲分析、复合材料分析、材料测试和静态应力分析。


该钻机不同于常规的钻机,它是一个自立的桅杆和已被称作“转动架”的“摇摆钻机”。转动架可以支持较大的帆,以获得更大的动力。作为一个不寻常的钻机,人们在确定设计工况时有很多争议。Carbonworks设计了几个工况草案,并委托两家其它公司同样地去做。把这几个工况施加到用专家原始资料制成的非线性钻机模型。在超过两个月的时间内,工况资料被汇编和对比,直到*终设计工况确定。临界荷载被定为极限的桅杆压力和前桅支索的拉力。极限荷载预计为当桅杆破坏时。这代表了一个25吨的桅杆压力和20m桅杆上的2N/mm的分布荷载。转向架把完整的压力从索具传递给桅杆,因此需要加强注意。


与这个工作同时进行的,是通过由材料供应商和首选制造商提供的信息,来制定草案材料的规格。桅杆由一个压力模具构件制成,而转向架则由一个收缩包装的心轴制成。草案材料的规格用来生产初步的桅杆和转向架模型。转向架的目标重量是60kg。转向架的草案模型表明这是可行的,因此转向架的设计进一步发展成为使其重量为57kg。LUSAS Composite建模器的功能非常强大,它可以快速的执行模型在材料规格和几何尺寸方面的改变。使用IGES转换和输入工具,可以通过Autocad和Cadkey的起草包把一些设计输入到LUSAS中。Tsai-Wu和Tasi-Wu-Cowin理论可用来确定**板层破坏的情况。线性屈曲分析可以确保桅杆和转向架在荷载因子为1.2或更大时才发生屈曲。

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转向架为6m长,直径大约为230mm,由预浸碳纤维制成转向架在LUSAS Composite中使用semiloof薄壳单元进行建模,而且包含了7~22个薄层。转向架为**压力区域的升降索和控制线预留一些小洞。LUSAS Composite被用来确定是否这些洞会促成过早的屈曲,并评估在洞的每一边需要多少单向碳纤维。此外,转向架在桅杆上的依附点都是一些细长的腹板,而且LUSAS Composite帮助确定其*小厚度,以防止屈曲。设计周期包括基于手算,建立一个非常薄、大约只有目标重量一半的模型。线性屈曲分析用来确定其将破坏的位置。加厚发生破坏的区域,然后再次进行线性屈曲分析,通常屈曲将会在其它位置发生。当模型破坏发生在荷载因子大约为1时,一个应力分析应该被进行,以检查应力状况。由于过载,一些区域必须被加强,可以通过改变板层方向或使用片较多的次积层塑料板。solarrig11_350.jpg
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Turret modellingBoom modelling


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Tsai-Wu stress in selected ply around holes for halyards in underside of turret


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Carbon-fibre turret - typical composite failure results plot


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Carbon-fibre turret - typical composite failure results plot


当构件设计完成,并且业主、制造商和设计者都满意时,材料样品将被制作,并被测试以验证草案中材料的规格。然而发现了两个惊喜:低的薄板系数和低的抗拉强度。在进行物理测试的同时,LUSAS Composite也被用来进行模拟拉伸和压缩测试。然后,添加层压板破坏准则到物理测试中,安全系数增加,并且对草案模型重新分析和修改,以适应材料规格的改变。改变并不是太明显,LUSAS Composite也允许模型进行再一次简单的修改。在对模型审查以及对更新资料核对后,*终的图纸以及进度表被给出,并建造桅杆。


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这个项目提供了一个机会,来使用LUSAS Composite进行线性屈曲分析、复合材料分析、材料测试以及静态应力分析,并完成了该项目的设计。


"LUSAS Composite建模器拥有合成模型的能力,这使得设计的变化很容易纳入到有限元模型中。这也使按照业主的规格设计的钻机构件,具有很高的可靠性,并在考虑施加的荷载情况下被优化".

Peter Schwarzel, Carbonworks

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