CN112417738B - 一种含随机坑点蚀缺陷的球形耐压壳的数值计算方法 - Google Patents
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Abstract
一种含随机坑点蚀缺陷的球形耐压壳的数值计算方法，包括：在笛卡尔坐标系下建立完整球形耐压壳几何模型；对完整耐压球壳模型赋赋予材料属性并定义截面属性；在脚本中设置点蚀的数量Npit、点蚀尺寸t与点蚀角参数θ1、θ2；运行脚本，生成点蚀几何模型；装配完整耐压球壳模型与点蚀模型，进行布尔运算切割生成含点蚀耐压球壳几何模型；对含点蚀缺陷球壳进行网格划分，设置边界条件并施加载荷；设置边界条件，施加静载荷；进行非线性求解计算；提取LPF曲线并获得含点蚀缺陷球壳的剩余极限强度。本发明通过在脚本中修改耐压球壳尺寸、点蚀尺寸和点蚀位置等参数后运行脚本实现参数化建模，具有极高的灵活性与便捷性，提高建模效率和准确性。
Description
技术领域
本发明属于深海工程技术领域，涉及一种含点蚀缺陷的球壳，尤其涉及一种含随机点蚀损伤的球形耐压壳剩余极限承载能力的数值计算方法。
背景技术
随着科学技术的不断发展以及人类对海洋资源认知水平的不断提高，深海所蕴含的丰富油气、金属矿产资源早已激起各国的探索热情。载人潜水器作为研究员探索数千公里深海的唯一工具，已经成为了当前热门的研究方向。耐压壳是保证潜水器内部设备正常工作和人员安全的关键部件。
腐蚀损伤是球型壳体这类海洋装备结构在服役过程中最可能遭受的损伤，壳体的腐蚀形式分为局部坑点腐蚀和均匀腐蚀两大类，在含大量氯离子的海水中，局部坑点腐蚀将不可避免的容易发生具有自钝化性能的金属上，而自钝化金属例如钛合金、马氏铁往往是制造深海载人耐压球壳的材料。因此点蚀在球型壳体的稳定性研究中尤为重要，建立一个含随机点蚀损伤的球壳数值模型是研究的基础。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种含随机坑点蚀缺陷的球形耐压壳的数值计算方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种含随机坑点蚀缺陷的球形耐压壳的数值计算方法，包括以下步骤：
S1：在笛卡尔坐标系下建立完整球形耐压壳几何模型；
S2：对完整耐压球壳模型赋赋予材料属性并定义截面属性；
S3：在脚本中设置点蚀的数量Npit、点蚀尺寸t与点蚀角参数θ1、θ2；
S4：运行脚本，生成点蚀几何模型；
S5：装配完整耐压球壳模型与点蚀模型，进行布尔运算切割生成含点蚀耐压球壳几何模型；
S6：对含点蚀缺陷球壳进行网格划分，设置边界条件并施加载荷；
S7：设置边界条件，施加静载荷；
S8：采用Risk法进行非线性求解计算；
S9：提取LPF曲线并获得含点蚀缺陷球壳的剩余极限强度。
作为更进一步去的优选方案，所述S1中，在ABAQUS/Part模块中，创建以(0,0,0)为圆心，以R/2和R/2-t0为半径的两个同心圆；连接(R/2，0)与(-R/2，0)，删除其他曲线，只保留两个半圆和连接两个半圆的直线；以连接半圆的直线为轴旋转360°形成一个直径为R，厚度为t0的实体球壳。
作为更进一步去的优选方案，所述S2中，在ABAQUS/Property模块中设置材料的弹塑性参数，创建实体均值截面，并指派截面属性。
作为更进一步去的优选方案，所述S3中，通过设置点蚀角θ1、θ2来确定点蚀出现的区域；点蚀为半球形凹坑，点蚀的尺寸t即为点蚀的深度，根据相关标准，在设置点蚀尺寸参数的时候，需要注意点蚀尺寸t大于等于球壳厚度t0的1/4，也小于等于0.6倍的t0；假设点蚀与点蚀不重合，当点蚀几何模型尺寸超出腐蚀区域所能容纳的上限时，脚本会自动停止运行。
作为更进一步去的优选方案，所述S4中，打开商用有限元软件ABAQUS，点击runscript，选择所需要的脚本(python文件)，ABAQUS将会自动运行该脚本并生成所需要的点蚀几何部件；进入ABAQUS/assemble模块，将所有点蚀几何模型合并成一个整体，导出生成.step或.igs文件；
作为更进一步去的优选方案，所述S5中，回到S1所创建的完整耐压壳几何模型中，导入S4所创建的点蚀几何模型STEP文件并选择合并成单个部件，进入ABAQUS/assemble模块，加入完整球壳几何模型与点蚀几何模型，在合并/切割实例选项中选择切割，将点蚀几何模型作为切割物进行布尔切割运算，生成含点蚀缺陷的球形耐压壳几何模型。
作为更进一步去的优选方案，所述S6中，进入ABAQUS/mesh模块，创建从平面偏移的基准面：XY面偏移0形成一个基准面、将XZ面分别偏移两次，距离约和/>形成两个基准面；将YZ面分布偏移两次，距离约/>和/>形成两个基准面，θ1、θ2为控制点蚀出现位置的腐蚀角；通过创建的五个基准面拆分几何模型，将含点蚀缺陷的一块几何体采用自适应网格划分算法划分十结点二次四面体单元网格(C3D10)，不含点蚀缺陷的几何部分采用结构划分算法划分八结点线性六面体单元网格(C3D8R)；布种的近似全局尺寸应约为R/100，含点蚀缺陷的几何的局部种子近似单元小于等于点蚀尺寸t，含点蚀缺陷几何的四个边的局部布种尺寸应略小于R/100以防止C3D10网格与C3D8R网格的连接处出现扭曲过度的网格，R为含点蚀缺陷球壳的直径。
作为更进一步去的优选方案，所述S7中，为了模拟耐压球壳在静水压力下的受约束条件，本计算方法使用的边界条件为三点约束，即以三个点限制其六个方向自由度；完成节点选择后进入ABAQUS/load模块设置边界条件并对含点蚀缺陷的有限元模型外面施加静载荷。
作为更进一步去的优选方案，所述S8中，初始载荷增量小于11km海洋深度外载荷的百分之一，最大载荷增量低于等于11km海洋深度外载荷的百分之五，最小载荷增量小于11km海洋深度外载荷的千万分之一，最大允许增量步数至少200步；在商业软件ABAQUS/Step模块，定义静态、通用隐式分析步，启动非线性选项，初始载荷增量设为1，最大载荷增量设为5，最小载荷增量设为10-5，最大允许增量步数设为200步；之后在ABAQUS/Job模块，建立分析任务，提交求解计算。
作为更进一步去的优选方案，所述S9中，在商业软件ABAQUS/Visualization模块中选择创建XY数据，选择ODB历程变量输出，找到Load proportionality factor:LPF forWhole Model，绘制LDF曲线图，点击LPF曲线图左侧得到最大值与最小值，将最大值乘以在第七步中施加的载荷，即可得到含点蚀缺陷耐压球壳的剩余极限强度。
有益效果
1.该方法基于python语言，首创性的建立了一种随机点蚀几何模型的建模脚本，填补了当前对含随机点蚀缺陷耐压球壳建模方法的空白；
2.本方法可通过在脚本中修改耐压球壳尺寸、点蚀尺寸和点蚀位置等参数后运行脚本实现参数化建模，具有极高的灵活性与便捷性，提高建模效率和准确性；
3.通过Risk法对含点蚀缺陷球形耐压壳进行非线性屈曲计算，避免了由于材料非线性造成的计算误差，得到精度更高的剩余极限承载能力；
4.针对含点蚀缺陷耐压球壳提供了一种通用的网格划分方法，使有限元分析结果更加接近实验结果，增加了数据的可靠性。
附图说明
图1为本发明的含点蚀耐压球壳剩余极限载荷数值计算方法流程图；
图2为点蚀几何模型参数化建模脚本流程图；
图3为点蚀角θ1、θ2表示的位置；
图4为随机分布在20°×30°区域的点蚀几何模型；
图5为含20°×30°区域的点蚀缺陷的球形耐压壳几何模型；
图6为含随机分布在20°×30°区域点蚀的耐压球壳有限元模型及边界条件；
图7为含随机分布在20°×30°区域点蚀的耐压球壳的LPF曲线及含点蚀缺陷耐压球壳剩余极限载荷；
图8为含随机分布在20°×30°区域点蚀的耐压球壳非线性屈曲分析结果。
具体实施方式
根据图1所示的含点蚀耐压球壳剩余极限载荷数值计算方法流程图，对本发明作进一步的详细阐述。壳体材料为马氏体镍钢，实施例的耐压球壳为全海深载人耐压球壳，需要能够在11km的深海进行作业。耐压球壳的尺寸和材料参数如表1所示。
表1实施例球形耐压壳尺寸与材料参数
第一步(S1)，在笛卡尔坐标系下建立完整球形耐压壳几何模型。在ABAQUS/Part模块中，创建以(0,0,0)为圆心，以R/2和R/2-t0为半径的两个同心圆；连接(R/2，0)与(-R/2，0)，删除其他曲线，只保留两个半圆和连接两个半圆的直线；以连接半圆的直线为轴旋转360°形成一个直径为R，厚度为t0的实体球壳。
第二步(S2)，对完整耐压球壳模型赋赋予材料属性并定义截面属性。在ABAQUS/Property模块中设置材料的弹塑性参数，创建实体均值截面，并指派截面属性。
第三步(S3)，在脚本中设置点蚀的数量Npit、点蚀尺寸t与点蚀角参数θ1、θ2。通过设置点蚀角θ1、θ2来确定点蚀出现的区域。点蚀为半球形凹坑，点蚀的尺寸t即为点蚀的深度，根据相关标准，在设置点蚀尺寸参数的时候，需要注意点蚀尺寸t不应小于球壳厚度t0的1/4，也不应大于0.6倍的t0。假设点蚀与点蚀不重合，当点蚀几何模型尺寸超出腐蚀区域所能容纳的上限时，脚本会自动停止运行。
第四步(S4)，运行脚本，生成点蚀几何模型。打开商用有限元软件ABAQUS，点击runscript，选择所需要的脚本(python文件)，ABAQUS将会自动运行该脚本并生成所需要的点蚀几何部件。进入ABAQUS/assemble模块，将所有点蚀几何模型合并成一个整体，导出生成.step或.igs文件。
脚本的编写采用了以下技术手段：
(1)在ABAQUS/part模块下通过旋转建立一个半径为t实体小球，进入ABAQUS/assemble模块，导入实体小球。随后找到位于ABAQUS的工作目录下后缀为.rpy的文件，将它复制并更改后缀为.py。
(2)使用python语言集成开发环境(ide)打开该文件，在脚本中导入math、random模块后开始对脚本的编写。
(3)定义耐压球壳的直径R，限制点蚀x、y坐标的取值范围分别为(m,-m)、(n,-n),使点蚀的球心始终位于耐压球壳的球面上。利用随机语句生成点蚀球心的x与y坐标，使点蚀随机出现。
(4)定义点蚀数量，使用循环语句让出现的点蚀数量可控。
(5)参考对薄壁结构腐蚀问题的主流研究方向，将x，y的取值区间(m,-m)、(n,-n)转化为由两个腐蚀角θ1、θ2确定的区间，其中
(6)通过列表语句计算点蚀与点蚀球心之间的距离，将距离小于(2t)2的两个点蚀删去其中之一并重新生成新的点蚀，使点蚀彼此不重合。
第五步(S5)装配完整耐压球壳模型与点蚀模型，进行布尔运算切割生成含点蚀耐压球壳几何模型。回到S1所创建的完整耐压壳几何模型中，导入S4所创建的点蚀几何模型STEP文件并选择合并成单个部件，进入ABAQUS/assemble模块，加入完整球壳几何模型与点蚀几何模型，在合并/切割实例选项中选择切割，将点蚀几何模型作为切割物进行布尔切割运算，生成含点蚀缺陷的球形耐压壳几何模型。
第六步(S6)对含点蚀缺陷球壳进行网格划分，设置边界条件并施加载荷。进入ABAQUS/mesh模块，创建从平面偏移的基准面：XY面偏移0形成一个基准面、将XZ面分别偏移约和/>形成两个基准面；将YZ面分布偏移约/>和/>形成两个基准面。通过创建的五个基准面拆分几何模型，将含点蚀缺陷的一块几何体采用自适应网格划分算法划分十结点二次四面体单元网格(C3D10)，不含点蚀缺陷的几何部分采用结构划分算法划分八结点线性六面体单元网格(C3D8)。布种的近似全局尺寸应约为R/100，含点蚀缺陷的几何的局部种子近似单元不应大于点蚀尺寸t，，含点蚀缺陷几何的四个边的局部布种尺寸应略小于R/100以防止C3D10网格与C3D8网格的连接处出现扭曲过度的网格。
第七步(S7)，设置边界条件，施加静载荷。为了模拟耐压球壳在静水压力下的受约束条件，本计算方法使用的边界条件为三点约束，即以三个点限制其六个方向自由度。完成节点选择后进入ABAQUS/load模块设置边界条件并对含点蚀缺陷的有限元模型外面施加静载荷。
第八步(S8)，采用Risk法进行非线性求解计算。初始载荷增量小于11km海洋深度外载荷的百分之一，最大载荷增量不高于11km海洋深度外载荷的百分之五，最小载荷增量小于11km海洋深度外载荷的千万分之一，最大允许增量步数至少200步。在商业软件ABAQUS/Step模块，定义静态、通用隐式分析步，启动非线性选项，初始载荷增量设为1，最大载荷增量设为5，最小载荷增量设为10-5，最大允许增量步数设为200步。之后在ABAQUS/Job模块，建立分析任务，提交求解计算。
第九步(S9)，提取LPF曲线并获得含点蚀缺陷球壳的剩余极限强度。在商业软件ABAQUS/Visualization模块中选择创建XY数据，选择ODB历程变量输出，找到Loadproportionality factor:LPF for Whole Model，绘制LDF曲线图，点击LPF曲线图左侧得到最大值与最小值，将最大值乘以在第七步中施加的载荷，即可得到含点蚀缺陷耐压球壳的剩余极限强度。
本发明以球形耐压壳为例提出实施过程，但是本方法不局限于球形耐压壳，圆柱形、蛋形、椭球型、圆环形等仍属于本发明的权利要求范围内。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种含随机坑点蚀缺陷的球形耐压壳的数值计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在笛卡尔坐标系下建立完整球形耐压壳几何模型；
S2：对完整耐压球壳模型赋赋予材料属性并定义截面属性；
S3：在脚本中设置点蚀的数量Npit、点蚀尺寸t与点蚀角参数θ1、θ2；
S4：运行脚本，生成点蚀几何模型；
S5：装配完整耐压球壳模型与点蚀模型，进行布尔运算切割生成含点蚀耐压球壳几何模型；
S6：对含点蚀缺陷球壳进行网格划分，设置边界条件并施加载荷；
所述S6中，进入ABAQUS/mesh模块，创建从平面偏移的基准面：XY面偏移0形成一个基准面、将XZ面分别偏移两次，距离约和/>形成两个基准面；将YZ面分别偏移两次，偏移距离约/>和/>形成两个基准面，θ1、θ2为控制点蚀出现位置的腐蚀角；通过创建的五个基准面拆分几何模型，将含点蚀缺陷的一块几何体采用自适应网格划分算法划分十结点二次四面体单元网格C3D10，不含点蚀缺陷的几何部分采用结构划分算法划分八结点线性六面体单元网格C3D8R；布种的近似全局尺寸应约为R/100，含点蚀缺陷的几何的局部种子近似单元小于等于点蚀尺寸t，含点蚀缺陷几何的四个边的局部布种尺寸应略小于R/100以防止C3D10网格与C3D8R网格的连接处出现扭曲过度的网格，R为含点蚀缺陷球壳的直径；
S7：设置边界条件，施加静载荷；
S8：采用Risk法进行非线性求解计算；
S9：提取LPF曲线并获得含点蚀缺陷球壳的剩余极限强度。
2.根据权利要求1所述的一种含随机坑点蚀缺陷的球形耐压壳的数值计算方法，其特征在于：所述S1中，在ABAQUS/Part模块中，创建以(0,0,0)为圆心，以R/2和R/2-t0为半径的两个同心圆；连接(R/2，0)与(-R/2，0)，删除其他曲线，只保留两个半圆和连接两个半圆的直线；以连接半圆的直线为轴旋转360°形成一个直径为R，厚度为t0的实体球壳。
3.根据权利要求2所述的一种含随机坑点蚀缺陷的球形耐压壳的数值计算方法，其特征在于：所述S2中，在ABAQUS/Property模块中设置材料的弹塑性参数，创建实体均值截面，并指派截面属性。
4.根据权利要求3所述的一种含随机坑点蚀缺陷的球形耐压壳的数值计算方法，其特征在于：所述S3中，通过设置点蚀角θ1、θ2来确定点蚀出现的区域；点蚀为半球形凹坑，点蚀的尺寸t即为点蚀的深度，根据相关标准，在设置点蚀尺寸参数的时候，需要注意点蚀尺寸t大于等于球壳厚度t0的1/4，也小于等于0.6倍的t0；假设点蚀与点蚀不重合，当点蚀几何模型尺寸超出腐蚀区域所能容纳的上限时，脚本会自动停止运行。
5.根据权利要求4所述的一种含随机坑点蚀缺陷的球形耐压壳的数值计算方法，其特征在于：所述S4中，打开商用有限元软件ABAQUS，点击run script，选择所需要的脚本(python文件)，ABAQUS将会自动运行该脚本并生成所需要的点蚀几何部件；进入ABAQUS/assemble模块，将所有点蚀几何模型合并成一个整体，导出生成.step或.igs文件。
6.根据权利要求5所述的一种含随机坑点蚀缺陷的球形耐压壳的数值计算方法，其特征在于：所述S5中，回到S1所创建的完整耐压壳几何模型中，导入S4所创建的点蚀几何模型STEP文件并选择合并成单个部件，进入ABAQUS/assemble模块，加入完整球壳几何模型与点蚀几何模型，在合并/切割实例选项中选择切割，将点蚀几何模型作为切割物进行布尔切割运算，生成含点蚀缺陷的球形耐压壳几何模型。
7.根据权利要求1所述的一种含随机坑点蚀缺陷的球形耐压壳的数值计算方法，其特征在于：所述S7中，为了模拟耐压球壳在静水压力下的受约束条件，本计算方法使用的边界条件为三点约束，即以三个点限制其六个方向自由度；完成节点选择后进入ABAQUS/load模块设置边界条件并对含点蚀缺陷的有限元模型外面施加静载荷。
8.根据权利要求7所述的一种含随机坑点蚀缺陷的球形耐压壳的数值计算方法，其特征在于：所述S8中，初始载荷增量小于11km海洋深度外载荷的百分之一，最大载荷增量低于等于11km海洋深度外载荷的百分之五，最小载荷增量小于11km海洋深度外载荷的千万分之一，最大允许增量步数至少200步；在商业软件ABAQUS/Step模块，定义静态、通用隐式分析步，启动非线性选项，初始载荷增量设为1，最大载荷增量设为5，最小载荷增量设为10-5，最大允许增量步数设为200步；之后在ABAQUS/Job模块，建立分析任务，提交求解计算。
9.根据权利要求8所述的一种含随机坑点蚀缺陷的球形耐压壳的数值计算方法，其特征在于：所述S9中，在商业软件ABAQUS/Visualization模块中选择创建XY数据，选择ODB历程变量输出，找到Load proportionality factor:LPF for Whole Model，绘制LDF曲线图，点击LPF曲线图左侧得到最大值与最小值，将最大值乘以在第七步中施加的载荷，即可得到含点蚀缺陷耐压球壳的剩余极限强度。
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