材料力学特性对球型耐压结构极限强度的影响

为了揭示材料主要力学性能对深海耐压结构极限承载能力的影响规律,本文以完整球壳为研究对象,采用非线性有限元方法,开展了材料力学特性变化对极限强度的影响研究。通过大量数值计算与归纳分析,得到了材料屈服强度和杨氏模量随厚径比变化对球壳极限强度的影响规律,研究发现随着厚径比的增加,材料刚度特性对结构极限强度的影响权重逐渐减少,屈服强度影响权重逐渐增加,在此研究基础上本文提出了一种考虑屈服强度变化的球壳极限强度计算新方法,为潜水器耐压结构选材与设计提供参考。     

基于连续介质损伤力学的钛合金耐压球壳极限强度分析

本文在连续介质损伤力学理论框架下,以深海载人装备耐压球壳结构为研究对象,开展Bonora损伤模型适用性研究。首先,设计TA31钛合金加载卸载试验,依据试验结果,分析Bonora模型参数对材料应力应变响应的影响规律;随后,提出一种模型参数校准方法,依据试验数据确定TA31钛合金的模型参数;最后,将Bonora模型通过VUMAT子程序的形式嵌入到有限元软件中,开展钛合金球壳结构的极限强度分析,并与传统方法进行对比。研究结果表明,在耐压球壳极限强度分析中,引入Bonora模型可以准确模拟耐压球壳结构的失效模式和破坏压力。该模型在材料本构关系中考虑了屈服强度、抗拉强度以及最大塑性应变的影响,结构失效的物理意义更加明确,对材料性能的优化与提升具有指导意义。     

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。     

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.     

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.     

球柱结合式多球型耐压结构极限强度特性研究

为了揭示主要结构参数对多球型耐压结构极限承载能力的影响,以三球交接型耐压结构为研究对象,采用非线性有限元方法,开展了结构参数变化对极限强度的影响研究。通过数值计算与归纳分析,发现开孔系数和厚度对极限强度的影响呈现单调变化,随着开孔系数的增大,结构极限强度衰减速率先增大后减小,其余参数在影响结构效用方面存在较明显的边际效益递减。论文给出了多球交接结构补强方案的最优策略,为深海载人装备用多球耐压结构的设计提供参考。     

大深度潜水器开孔耐压壳的极限强度研究

钛合金制深海载人潜水器耐压壳上面设有人孔、观察窗等多个开孔,而这些开孔又会削弱耐压壳的极限强度,又因为耐压壳工作的环境是几千米的深海中,所以了解其主要承压结构耐压壳的极限强度有重要的意义,也是设计者所必须关注的问题。本文利用ABAQUS有限元软件对开孔耐压球壳的极限强度进行了非线性有限元分析,计算了开孔的大小及加强围壁参数的变化对壳体极限强度的影响。计算结果表明,随着孔径的增大和围壁厚度的减小其极限强度成下降趋势。     

钛合金耐压球壳极限强度数值估算方法

深潜器在海洋开发中扮演非常重要的角色,其中耐压球壳作为保证潜水器设备和人员安全的关键部件,其结构设计直接关系到深潜器总体性能和重量指标。耐压球壳壳体的焊接工艺对结构极限强度有不可忽视的影响,因此本文提出一种耐压球壳极限强度的数值计算方法,其充分考虑了焊接加工工艺对壳体极限强度的影响,包括焊接对焊道周围材料属性的影响,焊接引起的变形以及残余应力。经由与试验结果对比,该数值方法结果较为精确,且计算结果偏于保守,表明该方法能考虑到工程安全性,有实际工程意义及较强的工程应用价值。     

初始缺陷对耐压圆柱壳结构极限承载力的影响

为了考察初始缺陷、材料等因素对耐压圆柱壳结构极限承载力的影响,本文利用ANSYS有限元软件构造模型对耐压圆柱壳结构进行模拟．研究了缺陷幅值在一定范围内变化时,初始缺陷对耐压圆柱壳极限承载力的影响,并将有限元计算结果与理论计算结果进行比较,讨论了材料的改变对极限承载力的影响．初始缺陷幅值不会改变耐压圆柱壳结构的失稳模态,且对结构极限承载力的影响有限,但材料的改进对提高结构极限承载力的效果显著．     

全海深载人潜水器超高强度钢制载人球壳的极限强度分析与模型试验

载人耐压舱是保证载人潜水器安全性的最核心部件,文章主要针对上海海洋大学正在研制的万米载人潜水器开展载人球壳的极限强度理论分析和模型试验研究。该载人耐压球壳采用超高强度马氏体镍钢。有限元分析包括静应力分析和屈曲分析,获得了耐压球壳的极限强度和失效模式;在此基础上,设计了模型球进行了极限破坏试验。通过有限元分析结果和试验结果对比,获得了球壳极限破坏压力失效模式和加载过程中球壳表面应变的变化历程。试验结果和有限元结果基本一致,验证了设计方法对马氏体镍钢球壳的适用性。该研究为后续全海深耐压球壳的设计提供了可靠的试验和理论基础。     

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.     

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.     

波纹截面环形耐压壳设计与分析

在圆截面环形耐压壳基础上,提出一种新型波纹截面环形耐压壳。通过耐压壳体极限强度非线性分析方法,研究波纹数对波纹截面环形耐压壳屈曲载荷的影响规律,优选出一种波纹截面环形耐压壳,并与圆环壳进行对比分析。结果表明,随着波纹数的增加,波纹截面环形耐压壳的屈曲载荷大幅度提高,当波纹数增加到12时,波纹截面环形耐压壳承载能力高达圆截面环形耐压壳的98%,但波纹结构的制造难度和成本大幅度降低。本文研究可为深海空间站的创新设计提供参考。     

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。     

基于Kriging模型的深潜器多球交接耐压壳结构优化

基于Kriging模型对深潜多球交接耐压壳进行了结构优化研究.通过试验设计选取样本点,采用非线性有限元方法计算样本的极限强度,建立了Kriging模型,针对不同工作深度的耐压壳进行结构优化.研究结果表明,Kriging模型具有较高的精度,并且克服了优化算法与非线性有限元模型直接结合所带来的计算量巨大且难以得到正确的梯度信息的困难,是求解深潜多球交接耐压壳结构优化问题的有效途径.     

初始缺陷对耐压圆柱壳塑性稳定性影响初探

耐压圆柱壳结构发生失稳时,壳体结构因为材料达到屈曲极限而发生了塑性屈曲变形。利用有限元软件ANSYS分析研究计及初始缺陷的弹塑性屈曲对耐压圆柱壳结构极限承载能力的影响。根据试验模型测量建立的真实模型与带理想初始缺陷模型进行对比分析,并讨论模型的初始缺陷在一定范围内时,结构极限承载力的变化。     

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。     

一阶模态缺陷条件下蛋形耐压壳屈曲特性研究

为研究蛋形耐压壳在不同数值模型下的屈曲特性,首先,建立理想蛋形耐压壳数值模型,研究单元尺寸对其强度与屈曲的影响;在此基础上,引入非线性与一阶模态缺陷,分别研究蛋形耐压壳在这两种情况下的屈曲特性影响规律.结果表明:单元尺寸对蛋形耐压壳的强度影响小,屈曲影响大;非线性与模态缺陷对耐压壳的稳定性影响大,二者对临界屈曲载荷下降的贡献度分别达到56.27%、13.47%,故进行蛋形耐压壳数值分析时应将其列入考虑范围,保证耐压壳安全稳定性.     

多球交接耐压壳结构优化问题的研究

文章对多球交接耐压壳的结构优化问题进行了研究.通过对一系列双球交接耐压壳进行非线性有限元分析,总结了双球交接耐压壳的两种典型破坏模式.在此基础上,提出了多球交接耐压壳结构优化问题的数学模型,并对不同材料的耐压壳进行了结构优化.优化的结果表明,交接角的大小对最优化结构的重量影响十分微小,而在相同的工作深度下,某钛合金材料耐压壳的最优结构具有最小的重量.此外,文中还对多球交接耐压壳的结构形式进行了推广,提出了三种新的多球交接形式.