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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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,以完整球壳为研究对象,采用非线性有限元方法,研究了材料力学特性变化对极限强度的影响。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对不同厚径比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,提出了一种考虑屈服强度变化的球壳极限强度半经验拟合公式,为潜水器耐压结构选材与设计提供参考。     

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.     

钛合金耐压结构蠕变数值计算方法与试验验证

通过对比分析多种典型蠕变本构模型,考虑应力水平、本构模型、蠕变时间等三个因素的影响,确定了TC4ELI材料钛合金常温压缩蠕变本构方程及其系数,初步建立了钛合金耐压结构蠕变数值计算方法。对钛合金环肋圆柱壳模型开展蠕变数值计算,给出蠕变前后模型的应力、应变和位移的变化情况。结果表明:修正的时间强化模型可以表征钛合金耐压结构初始蠕变阶段和稳态阶段的蠕变特性,能够适用于深海钛合金耐压结构的蠕变计算;产生蠕变变形后钛合金耐压结构应力重新分配,高应力区范围有所扩大,蠕变后弹性应变和总应变均减小;相比于纵向,蠕变对环肋圆柱壳结构的径向变形影响更大。     

轻质夹芯复合材料结构强度评估方法研究

由于具有高强度、高模量、重量轻、耐腐蚀的优良特点,复合材料在船舶上的应用逐渐成为研究热点.目前可查阅的关于船体复合材料结构强度校核的文献很罕见以及各种规范对船体复合材料结构强度校核尚未给出明确的说明.与各向同性材料的强度评估方法相比,复合材料强度评估有很大的不同.本文基于试验结果,分别采用壳单元、实体-壳单元和实体单元模型对复合材料结构进行数值分析,确定用于轻质夹芯复合材料结构强度评估的合理有限元模型.基于渐进损伤分析理论,采用Tsai-Wu失效准则和突降退化模型,对轻质夹芯复合材料的极限强度进行评估.结果表明:计及结果精确性与计算成本,可用壳单元模型分析复合材料结构的应力-应变分布;渐进损伤分析方法结合材料退化模型不仅有效地对复合材料结构的极限强度进行预测,同时还能判断材料的失效模式.     

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.     

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。     

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。     

4500米级载人深潜器耐压球壳疲劳可靠性分析

采用能计及裂纹闭合以及裂纹前缘的三维约束效应的裂纹扩展预报模型对我国研制中的4500米载人深潜器钛合金耐压球壳的疲劳寿命研究。参考国外同级别深潜器下潜统计数据建立了疲劳载荷概率模型,基于响应面法开展了疲劳可靠性分析,得到了失效概率及各随机变量参数敏感性结果,对载人球壳抗疲劳设计及结构安全性评估具有一定的参考意义。     

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。     

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.     

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.     

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。     

深潜器多球交接耐压壳室温蠕变-疲劳特性研究

为了揭示钛合金深潜器多球交接耐压壳在实际作业过程中的蠕变-疲劳特性，通过定义的比例因子建立考虑蠕变损伤演化速率拉压不对称时的室温蠕变-疲劳损伤模型，通过对ABAQUS软件进行二次开发，基于蠕变-疲劳损伤模型和自动周期跳跃算法，建立了适用于深潜器多球交接耐压壳结构的蠕变-疲劳损伤数值模拟方法。数值分析结果显示，多球交接耐压壳结构的热点位置在承受拉伸载荷时，蠕变损伤对结构的蠕变-疲劳寿命影响显著，而承受压缩载荷时几乎不产生蠕变损伤；当作业水深增加时，蠕变-疲劳裂纹萌生寿命的减少速度明显高于疲劳裂纹萌生寿命的减少速度；当处于相同水深时，保载时间增加会使结构的蠕变-疲劳裂纹萌生寿命减少，但耐压壳的实际可作业时间大幅提升。研究结果可为多球交接耐压壳蠕变-疲劳强度的计算提供参考。