载人潜器耐压球出入舱口加强形式对比研究

耐压球是载人潜器的主要承压结构形式之一,是保证潜器内部设备及人员安全的重要装备.耐压球壳上设有人员出入舱开口,对结构的强度影响较大,因此在进行耐压球壳设计时,通常会对于耐压球人员出入的开口进行加强设计,以降低开孔对于耐压球局部强度及刚度产生的影响.目前,我国对于出入舱口加强形式的设计并没有明确的规范要求.同时,尽管在设计时对于加强形式的确定需按照耐压壳的应用范围、加工条件的不同而区别选择,但目前尚无明确的依据或技术梳理.本文以一载人装备逃逸舱耐压球结构为基础,通过对于圆柱围壁加强、嵌入式围壁加强、壳板加强以及组合加强等开口加强形式的非线性强度极限分析,探讨不同开口加强形式的结构特点,为耐压球出入舱口形式的选择与设计提供技术依据.     

潜器耐压球壳结构开孔加强形式的对比分析

耐压球壳作为载人潜水器的承压结构形式之一,保证了潜器内部设备及人员的安全。由于出入舱室、观测等要求,将不可避免地在耐压结构上进行开孔。这些开孔结构的存在对耐压球壳整体结构强度和稳定性会造成影响。文中介绍了3种常见的耐压球壳开孔加强形式(侧壁加强、垫板加强、肘板加强),并采用ANSYS有限元分析软件对每一种开孔加强形式的极限强度进行了对比分析。相比侧壁加强和垫板加强,肘板加强具有更高的极限强度。但考虑到肘板连接处存在较大的应力集中及制造工艺较难,文中提出了一种新型开孔加强形式——梯形加强,该加强形式相比肘板加强具有更优秀的结构性能和工艺性。     

自增强外压球壳应力强度计算与分析

基于弹塑性变形理论,对厚壁外压球壳弹塑性变形进行了分析,研究结果为自增强技术在外压球壳上的应用提供了计算方法与数值依据。利用Abaqus对7000m载人潜器上一单开孔球壳进行了自增强模拟计算,计算结果表明,自增强处理后球壳上及穿舱件盘处结构应力下降明显,结构应力分布趋于均匀统一,有助于提高球壳体疲劳寿命。     

基于拓扑优化和尺寸优化的水下耐压球壳轻量化设计

大深度载人潜水器往往采用开孔耐压球壳作为其主要的承压结构,球壳开孔加强结构的优化设计,对减轻球壳重量,提高球壳承载能力具有重要意义。本文介绍拓扑优化的方法以及耐压球壳优化设计的基本流程,以4 500 m耐压球壳为研究对象,基于Hyperworks和Workbench软件,建立了耐压球壳的有限元模型,进行静力分析,并根据结果对球壳的开孔加强结构进行拓扑优化和尺寸优化,得到最优的加强形式。优化结果表明,优化后的耐压球壳的刚度和承载能力得到显著提高。     

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.     

观光潜水器载人舱大开口结构强度分析

文章分别采用规范计算和有限元分析对23客位观光潜水器载人舱大开口结构强度进行分析,并设计2种大开口结构加强形式。计算结果显示,文章设计的载人舱结构满足规范对强度和稳定性的要求,且设计的2种结构加强形式均能满足强度要求。文章计算结果可为大开口耐压罐体结构的优化设计提供参考。     

深海载人潜水器有开孔耐压球壳的极限强度

钛合金制深海载人潜水器耐压球壳属中厚度壳结构,上面设有人孔、观察窗等多个开孔,加工建造过程中又会产生初始缺陷,因此,这类结构的极限强度乃是设计者所必须关注的问题.本文利用ANSYS软件对上述有开孔耐压球壳的极限强度进行非线性有限元分析,计算了局部缺陷范围及幅值的变化对壳体极限强度的影响.计算结果表明,有围壁加强的开孔耐压球壳与无开孔耐压球壳的极限强度相差不大.     

载人深潜器钛合金耐压球壳极限强度可靠性分析

以研制中的全国产化4 500 m级载人深潜器为背景,采用非线性有限元和弧长法计算钛合金球壳极限强度,通过有限元计算得到考虑多参数影响的球壳极限强度拟合公式。基于响应面法对完整球壳以及开孔球壳进行可靠性计算,分析随机变量参数敏感性,讨论球壳厚度、内半径、初始缺陷幅值及开孔连接处角度等不同参数对钛合金耐压球壳可靠性指标的影响。     

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.     

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.     

An overview of buckling and ultimate strength of spherical pressure hull under external pressure

The load-carrying capability of spherical shells under external pressure has been the subject of a long history and many theoretical and experimental studies have been carried out. However, from a comparative study on the design rules for the minimum thickness of the deep manned spherical shells from various classification societies, significant differences have been found. This indicates that these design rules need to be updated and unified like Common Structural Rules for tankers and bulk carriers. In order to lay a foundation for this target, a systematic study is carried out to develop a consistent calculation method for predicting the ultimate strength of spherical pressure hull under external pressure. This is the first paper of a series of three for reporting this study and in this paper, a critical review on the buckling and ultimate strength of spherical pressure hulls is carried out and further problems to be studied are identified. This could lay a solid foundation for the further study.     

深潜器载人球壳规范设计公式的比较

文章首先简要地介绍了几个船级社现有的关于深潜器载人球壳的规范设计公式,这些公式背后的理论基础要么是经典的屈服破坏或屈曲破坏.然后,应用这些规范公式对国际上现有的几个载人潜水器耐压球壳的设计厚度进行了计算,在计算中统一了输入的设计参数并将这些计算结果进行了比较.比较表明,不同船级社设计公式给出的球壳厚度存在很大差别,绝大多数设计规范计算出的厚度都超过潜水器的实际壳厚.因此,作者认为非常有必要对各船级社的规范设计公式进行更新,最好能像民船共同规范一样给出统一的球壳设计公式.最后,文中对如何建立统一公式的研究过程提出了建议.     

Further study on the ultimate strength analysis of spherical pressure hulls

From a comparative study it is concluded that current design rules for the spherical pressure hull of manned submersible need to be updated and unified. In this paper, a series of spherical pressure hulls are calculated by nonlinear FEM. Based on these numerical results, the influence of critical arch length and the relationship of ultimate strength with t/R and structural imperfection are studied. Finally, empirical formulae for the ultimate strength of the titanium alloy spherical pressure hull of deep manned submersible based on numerical computations are given. The formulae can be used as the core equations to update current design rules.     

大深度载人潜水器疲劳寿命有限元分析

载人潜水器随着使用次数的增加,将有可能导致低周疲劳破坏。为了确保载人潜水器载人球壳的安全性,必须进行载人球壳的低周疲劳寿命分析。潜水器在一些特殊的局部区域是受拉伸应力影响的,开孔处结构的特点和深水压力共同作用就产生了较大的拉应力,因此这些较大的拉伸应力在此部位易引起结构的疲劳裂纹,并且缩短使用寿命。本文首先介绍了基于有限元疲劳寿命的理论基础和分析方法,然后建立载人潜水器有限元分析模型,按极限载荷和载荷谱分别计算出的疲劳寿命,不但可靠度高,而且可以方便地修改计算参数和进行结构优化,提高了计算的准确性和运算效率,极大程度地降低了人工费用。     

深海载人潜水器载体框架结构设计与强度分析

载体框架是用于安装固定载人舱、蓄电池、可弃压载、可调压载水舱、高压气罐和浮力块等深海载人潜水器设备的空间桁架结构,也是深海载人潜水器布放、回收和甲板系固的主要承力结构。因此,载体框架的设计应便于设备、仪器、浮力块和轻外壳的安装、拆卸与维护;并有足够的强度和刚度,以保证载人潜水器的布放和回收,以及在母船甲板上系固。在上述条件下,还应使其重量尽可能小。总结和介绍了我国正在建造的深海载人潜水器载体框架的材料选择、计算工况及设计载荷与许用应力的确定、结构型式的确定、构件的连接方式、节点的优化处理,以及结构强度的分析方法,给出了载体框架在单点回收和甲板系固两种工况下的强度分析结果,为今后研制同类型产品提供参考。     

开孔球形耐压壳力学特性及疲劳分析

深入研究7000 m水深下球形耐压壳的力学特性及疲劳寿命.首先,对完整球形耐压壳进行强度及稳定性分析;其次在完整球形耐压壳的基础上,根据潜水器设计规范对其进行开孔加强设计;最后对开孔加强球形耐压球壳进行强度与稳定性以及疲劳寿命分析,并同时与完整球形耐压壳进行对比.研究结果表明,开孔对球形耐压壳影响较大,与完整球形耐压壳相比,强度下降了9.4%,稳定性下降了19%,疲劳寿命下降了32.4%.研究成果可为深海球形耐压壳开孔开窗设计提供参考.     

深海潜水器载人舱结构健康监测评估系统研究

深海载人潜水器是海洋资源勘探和开发的重要装备,其载人舱球壳是保证下潜人员安全及舱内设备正常工作的基础,为及时掌握载人舱球壳在长期使用过程中的安全状态,对其进行健康监测与实时评估十分必要.本文首先对4500m潜水器载人舱球壳进行受力分析;然后根据球壳特征和监测需求设计载人舱球壳健康监测评估系统;对钛合金蠕变对系统测量结果的影响进行了研究分析,研究结果表明在最大工作压力下蠕变对测量结果的影响小于1％;最后给出了结构安全性评估算法函数,并用球壳静水外压试验数据对结构评估算法进行验证.