置于水下的圓柱殼體由于受到水壓作用而存在強度剛度問題。受壓下的殼體常需開設(shè)各種孔口，如儀表、部件的安裝孔、檢查孔等;開孔殼體存在著強度和剛度的削弱。開孔殼體的補強問題不僅影響了殼體是否安全，而且也是整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靜力學(xué)優(yōu)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[1]。利用MSC.Patran[2]建立SHELL單元模型對開孔殼體進行了強度分析，把開孔影響區(qū)域作為一個補強模塊，通過改變補強模塊的厚度，計算得到滿足工程要求的設(shè)計。
1 有限元計算模型
根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，建立了兩種有限元計算模型，一種模型是沒有補強的原始模型;另一種是在原有模型的基礎(chǔ)上進行補強。圖1為開孔圓柱殼體剖面示意圖，圖2為有限元計算模型圖，約束形式為圓柱殼體兩端全約束，載荷形式為圓柱殼體外部承受均布壓力。
圖3為有補強的開孔圓柱殼體結(jié)構(gòu)剖面圖。補強模型建立分為兩步：第一步，不從開孔圓向外延伸20mm，建立殼體上的圓環(huán)并進行網(wǎng)格劃分;第二步，對開孔圓邊界線進行BAR單元分網(wǎng)，同時建立局部柱坐標系，在局部柱坐標系把BAR單元按10mm長度、5等份拉伸（Extrude）成shell單元[3]，最后進行重合節(jié)點的合并。
圖4為補強有限元模型圖，殼體補強有限元網(wǎng)格與殼體原有限元網(wǎng)格完全重合，重合區(qū)域按兩部分殼單元分別輸入厚度，這樣就無需進行殼單元的偏置。由于補強模型由殼單元建立，所以，只要簡單地修改殼單元的厚度就能夠得到工程上限制的圓柱殼體開孔區(qū)域的最大應(yīng)力。
2 數(shù)值仿真結(jié)果
圖5給出開孔殼體最大等效應(yīng)力云圖，可以看出，開孔殼體最大等效應(yīng)力為1730MPa，由于應(yīng)力集中使得結(jié)構(gòu)已經(jīng)失穩(wěn)，所以必須進行補強工作。
補強計算是通過改變補強模塊殼單元的厚度進行多次計算得到的，共進行了10次計算，圖6給出第10次計算開孔殼體最大等效應(yīng)力云圖，最大值為136MPa;圖7給出補強模塊的最大等效應(yīng)力云圖，最大值為163MPa，可以看出，最大等效應(yīng)力已經(jīng)滿足了設(shè)計要求。從圖中可以看出，結(jié)構(gòu)的強度和剛度具有明顯的改善。
隨著補強模塊厚度改變增大，開孔殼體最大等效應(yīng)力減小，表1給出補強模塊厚度按25%增大時，開孔殼體最大等效應(yīng)力的變化，圖8給出開孔殼體最大等效應(yīng)力與補強模塊厚度關(guān)系曲線，為無量綱值。
利用有限元分析軟件可以很好解決圓柱殼體的開孔和補強問題。采用殼體結(jié)構(gòu)進行補強操作簡單，由于殼單元厚度的參數(shù)化，用戶不用修改模型，也無須使用PCL編程就可以達到最優(yōu)結(jié)果。該方法可以很好用于分析圓柱殼體的開孔和補強的力學(xué)特性，為工程設(shè)計帶來方便。
