大深度载人潜水器耐压壳结构研究进展

综述了大深度载人潜水器的发展概况,潜水器耐压壳体材料选用及结构型式;侧重阐述了耐压壳强度与稳定性计算的现状;指出了大深度载人潜水器钛合金耐压球壳弹塑性稳定性分析尚需研究的若干问题.     

大深度载入潜水器耐压壳结构研究进展

综述了大深度载入潜水器的发展概况，潜水器耐压壳体材料选用及结构型式；侧重阐述了耐压壳强度与稳定性计算的现状；指出了大深度载入潜水器钛合金耐压球壳弹塑性稳定性分析尚需研究的若干问题。     

初始缺陷对不同深度载人潜水器耐压球壳极限承载力的影响

大深度载人潜水器耐压壳是保证其完成预定功能的最基本部件,研究初始几何缺陷,其中包括弹性屈曲模态缺陷、局部缺陷、整体圆度偏差和壳板厚度偏差,对不同深度载人潜水器耐压壳体承载力的影响乃是极其必要的。通过对不同深度潜水器的有限元分析,得出了不同深度耐压壳体受初始缺陷影响的曲线,可以确认缺陷范围处于临界弧长时结构的承载力最弱。     

大深度载人潜水器载人耐压球壳的疲劳载荷谱分析

大深度载人潜水器的载人耐压球壳是载人潜水器上的最关键部件,它不仅为载人潜水器驾驶员和科学家提供了深海作业的生存空间,而且也为众多的非耐压仪器设备提供了工作环境.载人潜水器每执行一次下潜任务,耐压球壳都要承受一次海水压力作用,随着使用次数的增加.有可能会发生载人耐压球壳的低周疲劳破坏.为了确保载人潜水器载人球壳的安全性,在设计阶段必须进行载人耐压球壳的低周疲劳寿命分析.作为载人球壳低周疲劳寿命分析的基础,必须首先确定载人耐压球壳的疲劳载荷谱.本文通过对美国Alvin深海载人潜水器的使用统计资料的深入分析,提出了可以用GUMBEL分布来描述大深度载人耐压球壳疲劳载荷谱.根据设计任务书中规定的总的下潜次数要求,最后给出了我国目前正在研制的7000米载人潜水器耐压球壳的疲劳载荷谱.     

载人潜水器耐压球壳的多目标优化设计

采用基于响应面(RSM)近似模型和遗传算法(GA)对某深海载人潜水器耐压球壳进行多目标优化设计。首先建立深海载人潜水器耐压球壳的结构优化模型,通过试验设计(DOE)获得设计目标的响应特性,拟合得到响应面近似模型,最后采用Pareto遗传算法对响应面模型进行多目标优化求解,得到潜水器耐压球壳的优化设计方案。     

非金属潜水器耐压壳发展概况及展望

全海深潜水器已成为各国海洋研究的热点,而耐压壳是潜水器的核心部件。深海工作环境对耐压壳的力学性能提出了更高的要求,材料的升级是实现该目标的关键点之一。一些非金属材料,如复合材料、陶瓷、玻璃等,由于具有高比强度、耐腐蚀等特性,尤其适用于海洋装备的制造,在潜水器耐压壳应用领域显示出巨大的潜力。通过对现阶段深海潜水器耐压壳材料需求的论述,基于复合材料、陶瓷、玻璃等几种非金属材料的材料特性,分析其用于潜水器耐压壳的优势,概述几种非金属材料在各国潜水器耐压壳方面的发展和应用情况,总结目前存在的技术问题,并展望该领域值得进一步研究的方向。     

深海载人潜水器耐压球壳极限强度研究

对现有的潜水器耐压壳的研究主要都围绕薄壳结构,而深海载人潜水器耐压球壳,已属于厚壳的范围.国际上还没有均匀外压下厚球壳的解析解,只有美国海军泰勒水池耐压球壳设计公式及俄罗斯相应的公式可以参考.因此本文基于有限元的分析方法,对大深度载人潜水器耐压球壳极限强度进行了研究.通过对有限元参数的比较,提出了一个合理的有限元分析模型,计算结果与实验数据相符,而泰勒水池公式及俄罗斯公式的误差较大.然后计算了一系列半径厚度比下的耐压球壳的极限强度,并研究了初挠度的影响.本文认为对于深海载人潜水器耐压球壳可以直接根据有限元计算确定其极限强度,泰勒水池公式和俄罗斯公式偏于保守;耐压球壳经过精加工,初挠度对于其极限强度的影响不大.为了实用起见,本文还给出了完善耐压球壳极限强度与经典值的比值曲线,以及初挠度效应曲线.     

基于近似模型技术的复合材料耐压壳性能研究

基于纤维增强复合材料具有高比模量,高比强度的特点,提出内部环肋金属内衬外部缠绕复合材料的潜水器耐压壳结构形式,结合有限元方法和近似模型技术对该种结构形式的耐压壳进行研究。得到复合材料加强纤维的含量与耐压壳结构性能参数的关系以及不同铺层角对耐压壳临界失稳压力的影响,为该种形式复合材料耐压壳的设计提供设计依据。     

藕节形大深度潜水器耐压壳体优化设计

藕节形切弧连接耐压壳体是大深度潜水器耐压壳体的一种新型结构形式.该文考虑初始缺陷和材料、几何非线性的影响,参考潜艇规范,采用外点罚函数(OPF)法的结构优化程序,研究了三藕节切弧连接耐压壳体的优化设计.在研究中,设计变量为耐压壳体的厚度半径比、球壳间距半径比、连接角,考虑强度、稳定性以及几何约束,使浮力因子最小.同时研究了设计变量在结构优化设计中的敏感性,以及设计变量对耐压壳体的浮力因子、强度和稳定性的影响.文中的研究结果可以为藕节形大深度潜水器耐压壳体的结构设计提供参考.     

球形耐压壳设计中的稳定性校核

考虑球形耐压壳制造时的初始几何缺陷,依据欧标EN1993-1-6(2007)计算缺陷幅值,基于模态缺陷法在有限元模型中引入缺陷分布,求解初始缺陷对受压球壳稳定性的影响,针对大深度潜水器球形耐压壳,将模态缺陷法的分析结果与1996版、2013版《潜水系统和潜水器建造与入级规范》(以下简称《规范》)计算结果作比对,结果表明,模态缺陷法是分析几何缺陷条件下耐压球壳稳定性的有效方法;1996版《规范》得到的球形耐压壳的屈曲临界载荷值偏高,导致设计的结构偏危险,2013版《规范》与有限元分析结果吻合度较好,表明在大深度潜水器球形耐压壳的稳定性设计方面,2013版《规范》较1996版《规范》有所提升。