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.     

集体逃逸舱开孔耐压球壳优化设计

开孔耐压球壳是集体逃逸舱的主要承压结构,其强度和稳定性直接关系到逃生人员的生命安全。本文推导了计算静水压力下开孔耐压球壳应力的解析单元法(AEM),该方法与有限元法计算结果吻合。对开孔耐压球壳极限强度进行有限元分析,用响应面法(RSM)建立非线性稳定性近似公式。基于强度和稳定性计算公式,联合采用多岛遗传算法(MIGA)和Hook-Jeeves法进行优化设计,得到满足强度和稳定性要求重量最轻的设计方案。     

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。     

开孔球形耐压壳力学特性及疲劳分析

深入研究7000m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。     

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.     

切断一根肋骨的圆柱壳开孔应力分析

潜艇耐压壳体上大的开孔常常切断一根肋骨,并且用围壁进行加强.目前,环肋圆柱壳上用围壁加强的圆形开孔强度计算所用规范中的公式,是针对用围壁加强的不带肋骨的圆柱壳开孔推导出来的,而肋骨对孔口的应力集中是有影响的.本文用有限元方法对环肋圆柱壳上切断一根肋骨的用围壁加强的正交单圆孔,在静水外压下随开孔直径和加强程度变化的应力大小及分布规律进行了数值分析,发现孔边壳板中面应力与光圆柱壳开孔接近,但最大中面周向应力处弯曲应力很大;当加强程度大时,孔边壳板最大表面纵向应力超过最大表面周向应力,断肋骨面板应力很大.     

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。     

水下碰撞对耐压壳体极限承载能力的影响

极限承载能力是考察深海装备耐压壳体结构稳定性的重要标志。具有自航能力的深海装备在水下作业时,存在着水下碰撞的可能性。这种在高应力状态下的冲击作用会对耐压壳体的极限承载能力产生很大的影响。本文基于有限元软件建立2种常见耐压壳体水下碰撞的仿真模型,计算碰撞前后耐压壳体的失稳临界载荷,重点讨论了碰撞速度对结构塑性变形和剩余强度因子的影响,所得结果可以为水下碰撞失效模式判断和深海装备自航安全性保证提供借鉴。     

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。     

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。     

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.     

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。     

核发电船堆舱破损状态极限强度分析

对于核发电船而言,考虑到核反应堆的安全性问题,船体结构即使发生破坏,也要保证整体的强度,所以有必要针对破损后的船体梁进行极限强度分析。在船体剩余极限强度分析中,核反应堆舱所处舱段的极限承载能力是整个核发电船极限强度分析的关键。文章研究的重点集中在核反应堆舱段,在该舱段选取危险剖面进行剩余极限强度分析。同时,采用中和轴偏转的Smith方法对反应堆舱段进行破损船体极限强度计算,并结合HCSR规范对其进行评估。根据该核电船作业海域的海况资料,对其遭遇的波浪载荷进行长期极值预报,进而得出该船破损情况下的设计极限弯矩。结果表明,该船的设计极限弯矩满足规范中的要求,为基于规范的特定海域中的特定船型剩余强度评估提供参考。     

深海载人潜水器耐压球壳的接触有限元分析

深海载人潜水器在海洋资源勘察和深海科学研究如热液喷口研究、地球物理和地球化学等方面发挥越来越重要的作用.在载人潜水器的研制过程中,载人耐压球壳的安全性最受关注.基于对载人耐压球壳特点的分析,作者认为在出入舱口和三个观察窗部分严格来说是接触问题,应该采用接触有限元分析的方法而不是通过假定没有滑动采用传统的有限元分析.本文对接触问题的基本理论以及数值技术如搜索策略、最终的方程和算法等进行了介绍.然后采用有限元方法对一个深海载人耐压球壳的接触问题进行了分析.基于应力应变的分析结果,对摩擦系数对接触区应力分布的影响也进行了研究.分析发现在出入舱口和三个观察窗部分应力是协调的.通过对观察窗附近两种不同材料的变形协调分析也验证了观察窗设计的合理性.     

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.     

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.