2000米水深潜水器耐压壳结构设计与强度计算毕业论文
2020-04-03 13:14:03
摘 要
潜水器是深海资源勘查和科学研究的基本运载工具，在未来的深海科学研究体系中将处于核心地位。本文设计了在2000米水深工作环境下五种不同外形的耐压壳，并根据《潜水系统和潜水器入级规范》（2013）（以下简称《规范》）分别进行了强度校核，以及有限元线性强度分析和非线性屈曲分析。结果表明，根据《规范》计算出的结果偏于保守，得到的解构在满足力学要求的条件下，结构参数还存在优化的空间。有限元分析法是近似法，它将结构分成有限个离散的单元，通过计算有限个单元的未知量，来无限逼近真实物理系统的无限个未知量。因此，相比于规范校核，有限元分析法更加精确。
关键词：耐压壳；强度；有限元法；非线性分析
Abstract
Submersibles are the basic delivery vehicles for deep-sea resource exploration and scientific research and will play a central role in the future deep-sea scientific research system. In this paper, five pressure shells with different shapes under a working environment of 2,000 meters are designed and tested according to the “Specifications for the Classification of Diving Systems and Submersibles” (2013) (hereinafter referred to as the “Specifications”). Elementary linear strength analysis and nonlinear buckling analysis. The results show that the results calculated according to the "Specification" are conservative, and the deconstruction obtained under the condition of meeting the mechanical requirements, there is room for optimization of the structural parameters. The finite element analysis method is an approximation method. It divides the structure into a finite number of discrete units. By calculating the unknown quantity of a finite number of units, it infinitely approaches an infinite number of unknowns of a real physical system. Therefore, the finite element analysis method is more accurate than the standard check.
Key Words：pressure shell; strength; finite element method; nonlinear analysis
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究意义 1
1.3 研究现状 2
1.4 研究设计方法 2
1.5 本文研究的主要内容 3
第二章 耐压壳结构规范设计 4
2.1 概述 4
2.2 球壳规范设计 4
2.2.1 球壳设计方案 4
2.2.2 球壳载荷计算 5
2.2.3 球壳强度校核 5
2.2.4 球壳稳定性校核 5
2.3 圆柱壳规范设计 6
2.3.1 圆柱壳设计方案 6
2.3.2 圆柱壳载荷计算 6
2.3.3 圆柱壳强度校核 7
2.3.4 圆柱壳稳定性校核 7
2.4 圆锥壳规范设计 8
2.4.1 圆锥壳设计方案 8
2.4.2 圆锥壳载荷计算 8
2.4.3 圆锥壳强度校核 9
2.4.4 圆锥壳稳定性校核 9
2.5 凸形锥柱耐压壳设计方案 10
2.5.1 凸形锥柱耐压壳载荷计算 10
2.5.2 锥柱耐压壳强度校核 10
2.6 凹形锥柱耐压壳设计方案 11
2.6.1 锥体部分强度校核 11
2.6.2 锥柱耐压壳强度校核 12
第三章 耐压壳有限元计算 13
3.1 有限元软件及其理论介绍 13
3.1.1 有限元软件介绍 13
3.1.2 有限元法概述 13
3.1.3 有限元软件的网格划分 14
3.2 耐压壳模型的有限元静力分析 14
3.2.1 球形耐压壳的有限元静力分析 15
3.2.2 柱形耐压壳的有限元静力分析 16
3.2.3 锥形耐压壳的有限元静力分析 18
3.2.4 锥柱结合耐压壳的有限元静力分析 20
第四章 耐压壳屈曲分析 25
4.1 耐压壳典型的失稳过程 25
4.2 非线性计算方法介绍 25
4.3 有限元屈曲分析 26
4.4 耐压壳的非线性计算 26
4.4.1 球形耐压壳的非线性计算 26
4.4.2 柱形耐压壳的非线性计算 28
4.4.3 锥形耐压壳的非线性计算 29
4.4.4 凸形锥柱结合耐压壳的非线性计算 30
4.4.5 凹形锥柱结合耐压壳的非线性计算 32
第五章 总结 34
参考文献 35
致 谢 36
第一章 绪论
1.1 研究背景
长久以来，人类对海洋尤其是深海的探索，进展缓慢，至今仍不能精确绘制出一幅全景式海底地图。面对深海中巨大的石油，矿产资源的诱惑，美日俄等强国都在大力开发研究深海探测与开采技术，以确保自身在未来深海资源的争夺战中的有利地位，而深潜器作为人类与深海接触的必备工具，无论是载人潜水器还是无人潜水器，各个国家都在深入研究。现今，很多科学工作者不断研究潜水器的结构强度和稳定性，已经在大深度潜水器，尤其是是载人潜水器的耐压壳结构设计方面取得很多显著成果[1]。
中国作为疆土大国，其海岸线绵延1.8万公里，领海之广阔，资源之丰裕，不仅难以开发，还导致了南海仲裁，钓鱼岛争端等问题。现今，政府已明确指出了海洋开发的重要性，及时提出新世纪国防战略和国家海洋开发计划，以及世界第一造船大国目标。而决定海洋领域竞争的关键是科技，包括海面船体、平台建造科技和深海高科技。其中深海高科技的研究一直受到很多国家的关注，现在已成为世界新技术革命的重要内容[2]。而深海高科技的发展及应用的大前提是人类可以深入到深海，因此潜水设备必须发展起来。近年来，我国确实已经加大了对潜水器建造技术的投入力度，也正积极开发深海高科技，但相比于航空航天技术的发展速度与成就，我国这方面的力量仍有所欠缺。而制约海洋研究进展速度的因素众多，一个主要瓶颈因素就是深海潜水器的研制。由于材料性质与工程技术的限制，世界各国现在仍然无法制造能长期承受数百乃至上千大气压的载人深海探测设备[3]。
1.2 研究意义
随着科技的进步，人们对海洋开发的速度不断加快，对海洋的探索从近海深入到远海，各式各样的潜水器发展迅速，种类繁多，其主要用在海洋资源的勘探与开发、科学研究、军事侦查和打捞等一系列工作上。世界多国也明确提出了，要加强海洋勘探技术和深海科技研究开发基地建设，支持开展深海装备研制。人类的脚步已经登上了月球，但是对于一直在我们身边的大洋的探索却进展缓慢，成效甚少[4]。而且，随着人口的不断膨胀和人类生活质量的提高，陆地资源越显匮乏，已经无法满足人类的需要。自从20世纪二次工业革命以后，拥有丰富资源的海洋已成为各国争夺的焦点[5]。而且我国的南海问题，钓鱼岛问题等争端，都预示着海洋将成为21世纪甚至未来数个世纪人类发展的重要方向，具有划时代的重要意义。
潜水器要发展，耐压壳作为关键部分应首当其冲。耐压壳重量占潜水器总重的1/4-1/2。其设计决定着潜水器安全性、载运能力和人机环等性能的优劣。然而，当今耐压壳的设计建造技术水平还不能综合协调这些性能使其达到最优，制约了深海潜水器的发展。另外，现有中国船级社CCS规范耐压壳的设计方法还是基于薄壳Zolley理论，对于深海球形耐压壳无法准确给出极限承载力参考，给深海潜水器开发造成困难。而且，由于球形耐压壳具有相近空间特征值的缺陷敏感度结构，即当发生微小缺陷变化时，其屈曲载荷就会发生很大改变。因此，非常有必要研究缺陷对于球形耐压壳的影响，对于球形耐压壳体的研究可以极大推动大洋深潜器的发展[6]。
1.3 研究现状
潜水器设计是一项综合性的复杂工程，它涉及到结构、流体、材料、生命支持、水声、光学、液压、计算机控制等多门科学。潜水器的研究制造水平，可以体现出一个国家的海上综合技术力量，例如典型的6000m深潜器，目前仅美、法、日、俄、中等国家才能研制[7]。作为一个海洋大国，中国理应在深潜器研制、应用方面占据一席之地。
对大陆石油资源枯竭的担忧，导致上世纪国际上深潜器技术发展迅速，到上世纪七八十年代达到鼎盛。然而资源枯竭并没有预估的严重，海上技术设备的发展渐缓，又由于海上工作本身的制约，如高成本，高风险等，整个行业处于休整期。受其影响，潜水器发展同样也处于停顿，直至萎缩状态。一些世界上著名的大公司如OSEL、AMETEK等都已倒闭或被其它公司合并[8]。
我国从上世纪七十年代开始较大规模地开展潜水器研制工作，紧跟世界先进水平，至今已有显著成果，尤其是蛟龙号成功下潜，标志着我国潜水器研制达到国际先进水平。总之，我国已基本具备了研制各种不同类型潜水器的能力。
1.4 研究设计方法
潜水器结构的最基本形式是含肋骨的薄壁壳体，壳体主要承受水下的静水压力，采用肋骨结构来提高壳体的承载能力。耐压壳体结构形式的选择直接影响到潜水器的有效载荷。一方面如果耐压壳体的重量排水量比小的话，会减小潜水器的总重量，并为其提供较大的有效浮力，另一方面耐压壳体是保证人员与设备水下安全的重要设备，保证其强度与稳定性是耐压壳设计中的最重要因素，需要满足设计规范中的要求[9]。在保证耐压壳体具有足够强度与稳定性的前提下，合理的选择确定耐压壳的形式、材料以及尺寸等来减小耐压壳体的重量排水量比，增加其储备浮力，对于载人潜水器而言就显得尤其重要了。为此，进行耐压壳体的设计工作就显得尤为重要.
潜水器在海洋环境中工作时，其浮力主要是由耐压壳体提供的，耐压壳体重量与排水量比值是决定潜水器能否提供较大有效载荷的主要因素。而潜水器耐压壳的重量排水量比值是由其自身的属性决定的，包括其材料的选择，结构强度与稳定性等，后者也是设计潜水器的关键所在。
当潜水器耐压壳的外压力增大到某一临界值时，其耐压壳体丧失稳定性，这时的外界载荷压力就称为破坏压力，即失稳临界压力[10]。在现代潜水器结构设计中，不仅要保证潜水器耐压壳体中的应力小于规定许用应力，还要保证潜水器耐压壳体具有足够的稳定性，而且保证潜水器耐压壳体的稳定性相对来说往往更为重要。
一直以来我们进行结构设计基本上都是采用传统的定值法，或者沿用潜艇的设计规范计算出其耐压壳弹性屈曲压力，乘以几何修正系数或者物理修正系数从而得出其临界失稳载荷值。而在现阶段，不管是理论研究还是实验分析都是围绕其强度失稳真相分析展开的，因而一方面要在传统的定值法的基础上吸收其精华来揭示真相，另一方面也要考虑到材料的非线性影响来揭示其失稳阶段的应力状态[11]。为了达到这一目的，有必要在依靠传统的稳定性设计方法的基础上寻求新的稳定性设计方法来开启新的领域。鉴于上述情况，本文基于有限元分析方法，运用分析软件，针对2000米潜水器耐压壳结构的强度和稳定性计算方法进行分析研究，希望能够探索出一套比较科学合理的计算方法。并对该组合潜水器耐压壳结构稳定性研究进行总结和展望。
1.5 本文研究的主要内容
潜水器的耐压壳体是潜水器承载能力的主要提供者，它应具备良好的强度和稳定性，且能在同样的结构重量的情况下获得更大的潜深。本论文的研究工作是，根据相关规范，对2000米水深的潜水器耐压壳结构进行设计，并采用有限元软件ANSYS对结构强度进行分析校核。
潜水器耐压壳体的设计中，对壳体质量的要求比较严格，因为质量的大小在很大程度上影响潜水器整体性能，壳体质量的减小就意味着燃料消耗的减少及可携带燃料的增加，这在一定程度上可以增大潜水器的航程，提高航速，从而提高其综合性能。因此潜水器结构优化的主要目的是在满足强度等要求的前提下尽可能的减少壳体质量，即寻找一个在满足强度、刚度等要求的前提下质量最轻的方案。
第二章 耐压壳结构规范设计
2.1 概述
耐压壳是深潜器浮力的主要提供者，也是人员和设备安全的保护者，因此我们在设计耐压壳时，既要考虑它有较轻的重量，又要满足其具有足够的强度和稳定性。所以我们要选择合理的耐压壳形式和尺寸。
在耐压壳体的结构设计中，有很多的因素能够影响到耐压壳的结构设计工作，如果这些因素的选择确定不合理将会导致整个耐压结构重量的增加，甚至会引发在水下结构发生破坏，其中主要需要考虑以下几个方面的因素影响：
（1）耐压壳体材料的选择；
（2）耐压壳体重量排水量比；
（3）耐压壳体内部总布置与加工制造（焊接、制造误差等）的要求；
（4）耐压壳结构可能受到的破坏形式；
（5）耐压壳在工作水深和设计水深下的应力强度与稳定性情况；
（6）强度安全系数的确定；
（7）耐压壳体上大开孔对结构强度与稳定性的影响与加强[12]。
其中最重要的因素是要保证潜水器在考虑一定安全系数的计算水深压力下不致于因为外载荷而发生结构的破坏。
本章根据中国船级社的规范，设计共五种外形的耐压壳，并检验校核其强度与稳性。本设计采用的是TC4钛合金(Ti-6Al-4V)，密度g=4.4×103kg/m3，屈服强度σs=860MPa，弹性模量E=110GPa，该材料具有良好的力学性能。耐压壳以其承受最大工作压力作为设计压力进行强度计算，然而某些对结构强度有影响的因素不能被定量计算出来，例如，材料的实际厚度与设计厚度之间的偏差、残余应力、材料屈曲的比率、实际屈服强度与计算的差异、实际下潜水深大于工作水深等。承受外压力的耐压壳应按计算压力进行计算分析，即计算压力取为最大工作压力的1.5倍。
2.2 球壳规范设计
2.2.1 球壳设计方案
无人深潜器的耐压壳半径多为1m-2m，而2000米水深下压力相对较小，TC4钛合金也具有良好的力学性能，因此为保证足够的空间容量和节约材料成本，本文中取球壳直径为1000mm.
本耐压壳为均匀的球壳体，综合考虑水深和材料性能，决定整体不设置肋骨与开口。
2.2.2 球壳载荷计算
本节公式符号意义如下：
Pj-计算压力，MPa；
Pe-弹性失稳压力，MPa；
Pcr-屈曲压力，MPa；
R-球壳半径，mm；
t-壳板厚度，MPa；
E-弹性模量，MPa；
ReH-材料屈服强度，MPa；
Cs-材料物理非线性修正系数；
CZ-制造效应系数。
设计环境为2000m的海水深度，故工作压力Pj=1.5ρgh=30.165MPa，其中g=9.8N/kg，ρ=1.025×103kg/m3，h=2000m。
2.2.3 球壳强度校核
球壳板应力计算：
（2.1）
许用应力为：[σ]=0.85ReH=731MPa
由计算可知，当壳板厚度t≥15mm时，计算结果满足，为节约材料，本文选择球壳厚度为15mm。
2.2.4 球壳稳定性校核
弹性失稳压力：
（2.2）
C=0.024。
壳板屈曲压力计算：
（2.3）
Cs=0.975
Cz=0.76
（2.4）
（2.5）
所得屈压力满足，显然满足稳性要求。计算结果符合规范要求。
表2.1 球形耐压壳规范计算结果
强度检验 | 计算应力(MPa) | 许用应力(MPa) | 工作压力(MPa) | 极限强度(MPa) |
球形耐压壳 | 502.76 | 731 | 195.21 | 279.51 |
从上述表格计算结果可以看出，球壳设计的静强度与稳定性符合规范要求。
2.3 圆柱壳规范设计
2.3.1 圆柱壳设计方案
本文暂定圆柱壳直径为1100mm，内部长度1500mm。考虑到同等情况下圆柱壳结构承压能力稍逊于球壳结构，因此在内壁设置2道肋骨，肋距为500mm，尺寸为-50×40。
2.3.2 圆柱壳载荷计算
本节公式符号意义如下：
Pj-计算压力，MPa；
Pe-弹性失稳压力，MPa；
Pcr-屈曲压力，MPa；
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