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.     

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。     

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.     

焊接残余应力对深潜器耐压球壳承载能力的影响

耐压球壳通常采用焊接方式将两个半球壳连接成整球,在焊缝处产生的接近材料屈服强度的焊接残余应力对球壳的承载能力有多大的影响,是否需要做焊后消除残余应力处理,将直接影响球壳的安全性和生产成本。而现有对球壳极限强度计算,无论是理论计算还是数值计算,均只考虑了球壳初始缺陷中的几何缺陷对球壳极限强度的影响。该文将在现有的耐压壳极限强度设计公式基础上,采用数值计算的方法对耐压球壳的焊接过程进行数值模拟,得到焊后球壳的焊接残余应力分布,并在此基础上考虑残余应力对球壳极限强度的影响,结果表明,对于大潜深厚球壳,焊接残余应力对耐压球壳承载能力影响不显著,为大深度潜器耐压球罐是否需做焊后消除残余应力处理提供了一定的参考依据。     

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。     

深海载人潜水器耐压球壳的非线性有限元分析

潜水器耐压球壳的稳定性是开发深海载人潜水器的关键技术之一,其球壳已达中厚壳范围,因此需考虑横向剪切变形的影响.本文基于非线性有限元方法,对大深度载人潜水器耐压球壳的非线性稳定性进行了研究,考虑了加工过程造成的不圆度、材料屈服引起的应变强化呈现的材料非线性、以及壳体整体屈服产生的塑性大变形而表现的几何非线性等因素的影响.计算表明,相同厚度耐压球壳的失稳临界压力随半径的增大而减少;球壳半径不变时,失稳临界压力则随厚度的增加而增大.文中给出了球壳失稳临界压力、厚度与直径的关系曲线,据此可选择潜水器耐压球壳的最佳几何尺寸.     

耐压液舱结构强度与稳定性

应用有限元方法对纵骨式耐压液舱结构进行系列计算,通过多参数多工况方案对比分析,详细讨论了耐压壳板半径、液舱壳板半径、耐压船体壳板板厚、液舱壳板板厚、相邻实肋板间距、相邻纵骨间距等参数对液舱壳板和耐压船体壳板结构强度和稳定性的影响,研究结果可供潜器耐压液舱结构设计参考,并为进一步完善耐压液舱结构的理论计算方法提供依据.     

深潜器多球交接耐压壳结构性能研究

多球交接耐压壳综合了单球壳和加筋圆柱壳2种耐压壳的优点,是一种更加安全和经济的深潜器耐压壳结构形式.本文以极限强度和浮力系数为主要指标,研究了多球交接耐压壳各几何参数对结构性能的影响,并考虑了环向加强肋设于耐压壳外部的情况.在本文中,耐压壳的极限强度利用ANSYS软件通过非线性有限元方法计算得到;同时,还利用多学科设计优化软件iSIGHT,对多球交接耐压壳的4个几何参数进行试验设计,并以其对耐压壳的极限强度和浮力系数的主效应和贡献率为标准,评价了它们对于整体结构性能的影响.     

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.     

潜艇耐压圆柱壳结构的可靠性研究

举艇耐压圆柱壳是潜艇承受外载的主要结构,其失效模式多种移样,而且相互关联,因此,潜艇耐压圆柱壳结构的可靠性分析是一个多复杂、相关问题的可靠性分析问题,本文从潜艇耐压圆柱壳的失效模式建立到总体及各种失效模式的可靠性大小计算,建立了一套计算潜艇耐压圆柱壳结构可靠性的分析。编制了潜艇耐压圆柱壳结构的可靠性分析计算机程序,并以具体潜艇耐压圆柱壳结构进行了可靠性分析,从其对耐压圆柱壳的计算结果可以看出,潜艇耐压圆柱壳结构的失效概率并不等于各失效模式的失效概率之和,这不同于Ｆａｕｌｋｎｅｒ做出的求和理论假定。本文的潜艇耐压圆柱壳可靠性分析,为多模态失效的系统可靠性计算开辟了新的途径,对潜艇耐压圆柱壳结构的可靠性设计提供了一定的理论基础。     

深水耐压壳仿生设计与分析

文章研究了千米水深蛋壳仿生耐压壳的设计理论与分析方法,首先采用Upadhyaya方程、N-R方程,分别建立了鸡蛋壳、鹅蛋壳形状函数;其次,设计了6 km水深鸡蛋壳、鹅蛋壳仿生耐压壳,并基于解析法和数值法,对这两种结构进行强度和稳定性研究;最后,建立了球形、抛物线形、柱形、椭球形等4种典型耐压壳的数值模型,与仿生耐压壳作对比分析。结果表明:解析法和数值法所得的经向应力、纬向应力、临界屈曲应力吻合良好,鹅蛋壳仿生耐压壳的强度和稳定性优于鸡蛋壳仿生耐压壳,具有较好的耐压特性;球形耐压壳储备浮力能力最优,鹅蛋形、鸡蛋形、柱形、椭球形、抛物线形耐压壳的储备浮力能力分别是球的87%、82%、68%、67%、66%;从储备浮力、壳内空间利用率、流线型、乘员舒适性等方面综合比较可知,鹅蛋壳仿生耐压壳可为深水耐压壳设计提供有效参考。     

全海深双球连接耐压舱的结构设计探索

钛合金耐压球壳被广泛地应用于大深度载人潜水器.但是,由于受到材料强度的限制,若采用成熟的Ti-6Al-4VELI来设计3人型的全海深载人舱,其壁厚将超出很多国家的现有制造能力.为了解决这一矛盾,该文提出了一种新的双球连接的方案,并以中国船级社最新的强度标准作为优化约束条件,用有限元分析法对这种结构形式进行了优化设计.最后,对双球结构方案与传统单球方案作了比较.     

耐压船体结构典型接点疲劳寿命评估

潜艇在潜浮过程中,由于静水外压引起的工作应力与焊接残余应力叠加,形成拉压循环应力,导致耐压船体的局部结构可能出现低周疲劳裂纹.一般情况下,高强度钢在抗拉强度提高的同时往往伴随着材料塑性储备和断裂韧性的下降,因此分析高强度钢潜艇结构的低周疲劳寿命非常重要.本文基于断裂力学和Paris公式建立了潜艇耐压结构低周疲劳寿命的工程估算方法,根据裂纹无损检测的概率统计和含裂纹圆柱壳极限应力分析,给出了初始裂纹和裂纹临界状态的建议值.应用本文的简化方法分析了某潜艇结构和锥柱结合壳模型的低周疲劳寿命,锥柱结合壳模型的数值算例表明本文的计算结果与试验测试结果相吻合.     

带前置预旋导轮的螺旋桨空泡脉动压力数值模拟研究

本文基于非定常粘性RANS方法结合Schnerr-Sauer空泡模型,建立了船后螺旋桨空泡脉动压力数值预报方法,并开展了数值方法的不确定度分析;然后采用ITTC'78自航预报规程结合CFD方法预报了带前置预旋导轮的节能效果,开展了安装节能导轮后的螺旋桨空泡脉动压力预报研究;对比分析了有无节能装置时的螺旋桨叶表面空泡形态及1阶和2阶船体脉动压力.研究表明,在本实例中安装节能装置后的1阶和2阶脉动压力分别下降了33％和20％,而桨叶表面空泡面积也有所下降.     

空泡螺旋桨诱导的船体脉动压力预报

本文用空泡预报的结果,在桨叶面和尾涡面布置强度已知的源汇和偶极子,计算了空泡螺旋桨诱导的脉动压力.真实的船体表面形状可以通过在船体表面布置偶极子来考虑,求得船体表面的偶极子强度后,通过Bernoulli方程可得到船体表面的脉动压力.为了便于同已有的试验数据进行比较,本文计算了空泡螺旋桨诱导的平板脉动压力.     

不同主压载水舱状态下的双层圆柱壳冲击响应分析

对潜艇结构冲击响应（压力）的分析可以评价结构的抗冲击能力并为提高结构抗冲击性能提供依据。以双层圆柱壳为基础,建立有限元模型。利用仿真算法计算当双层圆柱壳结构在主压载水舱状态改变时,耐压壳与非耐压壳的压力响应,并对压力响应进行了分析。通过数据分析表明：主压载水舱的状态对潜艇主要结构响应有很大影响,尤其是对耐压壳、非耐压壳的压力响应及冲击波过后结构响应的衰减方式、频率都有明显影响。     

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。     

Experimental investigation of the strength and stability of submarine pressure hulls with and without artificial corrosion damage

A submarine may have to operate for a period of time with local corrosion damage in the pressure hull if a suitable repair method is unavailable or too expensive for implementation. This paper describes collapse tests on twenty ring-stiffened aluminium cylinders, which were conducted to study the effect of corrosion damage on hull strength and stability. Artificial hull thinning was found to reduce the collapse strength of experimental models through high local stresses in the corroded region, leading to early onset of yielding and inelastic buckling. Bending associated with the eccentricity due to one-sided thinning was found to further increase the local stresses in the hull. Overall collapse pressures were more severely affected by corrosion damage than interframe collapse pressures. The percentage reduction in overall collapse pressure, compared with intact experimental models, was found to be closely related to the percentage depth of thinning. The accuracy of conventional collapse pressure predictions for the experimental models was significantly better for intact than for corroded cylinders.