（机械电子工程专业论文）具有实时通信功能的新型海洋观测浮标的结构优化与控制系统研究.pdf

中文摘要 海洋观测浮标系统又称中性漂流浮标系统，是海洋环境监测的重要设备之一， 是一种人们用来了解海洋、开发海洋的有用工具。海洋观测浮标标作为一种海洋 监测仪器的通用搭载平台，可以根据科学研究需要携带各种水文观测传感器，如 温度、盐度、深度、压力传感器等，然后将在水下采集到的数据通过水声通讯发 送给科考船上的接受装置。 本文首先对海洋观测浮标的发展状况进行了概述，然后介绍了本课题具有实 时通信功能新型浮标制作的研究目的与意义。然后介绍了观测浮标耐压壳体的设 计过程，包括如何选择壳体的外形结构与壳体材料，以及如何对浮标的结构尺寸 进行确定。接下来介绍了利用a n s y s 分析软件对所设计出的不同结构尺寸的耐 压壳体模型进行极限工作水深压力下的模拟分析，并通过应力及变形的分析结果 对几种不同结构尺寸耐压壳体进行筛选及优化的过程。 本文还介绍了如何基于串口通信原理，利用v b 编程软件编写上位机浮标监 控程序，包括监控程序的主要功能模块介绍，界面设计，关键程序代码实现方法 和上下位机之间的通信协议。 本文对监测浮标的重要驱动部件浮标液压驱动系统的机械结构组成，整体布 局，整个液压系统的工作过程及功能实现情况进行了完整描述，并对浮标的安全 保护设备抛载装置的工作原理及机械结构也进行了详细的介绍。 最后，本文介绍了耐压壳体外水压力试验的过程及结果，验证了利用a n s y s 软件对耐压壳体模型进行模拟分析优化筛选的合理性与可行性，对抛载结构试验 方法与数据结果也都做了详细介绍。 关键词：海洋监测浮标；耐压壳体结构优化；有限元分析：串口通信 a b s t r a c t i h em a r i n es u b m e r s i b l eb u o ys y s t e mw h i c hi sa l s oc a l l e du n d e r w a t e rp r o f i l e r s y s t e m ，a so n eo ft h ei m p o r t a n te q u i p m e n tf o ro b s e r v a t i o no ft h eo c e a ne n v i r o n m e n t p a r a m e t e r s ，i sak i n do ft o o lf o rh u m a n t ok n o wm o r ea n de x p l o r et h eo c e a n a sa n u n i v e r s a lp l a t f o r mf o ro c e a nm o n i t o r i n gi n s t r u m e n t t h em a r i n es u b m e r s i b l eb u o y s y s t e mc a l lt a k eav a r i e t yo fh y d r o l o g i c a lo b s e r v a t i o ns e l l s o r sn e e d e db yt h es c i e n t i f i c r e s e a r c ha l o n gw i t hi t , s u c ha st e m p e r a t u r es e n s o r , s a l i n i t ys e n s o r , d e p t hs e n s o r p r e s s u r es e n s o ra n do t h e re l s e i tc a ns e n dt h eo c e a np a r a m e t e r s d a t ac o l l e c t e d u n d e r w a t e rt ot h er e c e i v e ro nt h er e s e a r c hv e s s e lt h r o u g ha c o u s t i cc o m m u n i c a t i o n t h i st h e s i sf i r s th a sao v e r v i e wo ft h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no ft h em a r i n e s u b m e r s i b l eb u o ys y s t e m ，a n dl e tr e a d e r sk n o ww h a ti st h er e s e a r c ho b j e c ta n d m e a n i n go ft h i st a s k ，t h e nd e s c r i b e st h ed e s i g np r o c e s so fp r e s s u r ec a s eo ft h em a r i n e s u b m e r s i b l eb u o ys y s t e m ，i n c l u d i n gh o wt os e l e c tt h es h a p e ，s t r u c t u r ea n dm a t e r i a l o fp r e s s u r ec a s e ，a l s oh o wt od e c i d et h ep a r a m e t e r so ft h ep r e s s u r ec a s e ss t r u c t u r e n e x tt h i st h e s i sd e s c r i b e st h es t e p so fu n d e rw a t e rs i t u a t i o ns t i m u l a t i o no ft h ep r e s s u r e c a s e s d e s i g n e db e f o r eb yu s i n ga n s y sa n a l y s i ss o f t w a r e ，t h ep r o c e s so ft h e s e l e c t i o no ft h eb e s tp r e s s u r ec a s e ss t r u c t u r ea n dt h eo p t i m i z a t i o no fp r e s s u r ec a s e s p a r a m e t e rb yt h ec o m p a r i s o no ft h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o n ss t i m u l a t i o nr e s u l t n e x tt h i st h e s i sd e s c r i b e st h em e t h o db a s e do ns e r i a lc o m m u n i c a t i o nt h e o r yb y w h i c hp r o f i l e rs y s t e m sm o n i t o r i n gp r o g r a mc a nb eb u i l tu s i n gv i s u a lb a s i c t h i s m e t h o di n c l u d e st h ed e s i g no fm o n i t o r i n gp r o g r a m sf u n c t i o nm o d u l e s ，i n t e r f a c e ，a n d t h ec o m m u n i c a t i o na g r e e m e n tb e t w e e np ca n dm i c r oc o n t r o l l e r t h i st h e s i sg i v e sac o m p l e t ed e s c r i p t i o no ft h eo v e r a l ll a y o u t ，m e c h a n i c a ls t r u c t u r e ， a n dp r a c t i c i n gp r o c e s so ft h eh y d r a u l i cs y s t e mw h i c hi st h em o s ti m p o r t a n td r i v e c o m p o n e n to fu n d e r w a t e rp r o f i l e rs y s t e m t h ed r o p p a b l eb a l l a s ts y s t e m se j e c t i o n p r i n c i p l ea n dm e c h a n i c a ls t r u c t u r ea r ea l s op r e s e n t e di nd e t a i l l a s tt h i st h e s i sd e s c r i b e st h ep r o c e s so fp r e s s u r ec a s e sp r e s s u r et e s t ，v e r i f i e dt h e r e a s o n a b l e n e s so fa n s y sa n a l y s i s b yc o m p a r i n gt h ee x p e r i m e n t f a c t sw i t h s t i m u l a t i o nr e s u l t n l ee x p e r i m e n tr e s u l t so fd r o p p a b l eb a l l a s ts y s t e ma r ea l s o p r e s e n t e d k e yw o r d s ：s u b m e r s i b l eb u o ys y s t e m ：s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o no f p r e s s u r ec a s e ；f m i t e e l e m e n ta n a l y s i s ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：刹爰1 签字日期：a 彩7 年 阳手日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 剖纠 签字日期：g 7 年石月扩日 导师签名： 撕瓤7 “月 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 海洋是地球上生命的起源，她孕育了人类，构成了我们赖以生存的自然环境。 地球上海洋的面积约占3 6 l 亿平方千米，占全球总面积的7 1 ，海洋是地球上 决定气候发展的主要的因素之一。海洋本身是地球表面最大的储热体。海 流是地球表面最大的热能传送带。随着海洋科学技术的发展，人们发现海洋中 蕴藏的资源，远远超过了陆地上已知同类资源的蕴藏量。从海水到海底及海底以 下，都蕴藏着极其丰富的宝藏。 海洋开发是指人类为了达到一定的目的，对海洋的自然资源，环境条件等进 行的科学研究和开发利用实践活动的总称。有人说，海洋开发技术同宇宙、原子 能的开发被视为三大技术中心。随着社会经济的发展和科学技术的进步，海洋开 发日益受到世界各国的重视。有一些学者认为，2 0 世纪7 0 年代，原子能研究已 进入稳定期，空间科学进入了成熟期，而海洋相关技术正处于成长期，因此可以 预言，未来的科学技术将是向海洋方向发展的时代。世界各国都掀起了海洋开发 的热潮。海洋的战略意义也越来越明显。海洋开发，需要获取大范围、精确的海 洋环境数据，需要进行海底勘探、取样、水下施工等。要完成上述任务，需要一 系列的海洋开发支撑技术，包括深海探测、深潜、海洋遥感、海洋导航等。因此， 可以说，不论是从国际间的科技实力竞争来说，还是从我国自身的客观需要来说， 对于海洋开发的研究都是十分重要的。要想开发海洋，就应该了解海洋，观测和 考察海洋，而要寻求开发海洋的方法和技术手段，就需要进行大量的研究工作和 科学实验 1 1 。 海洋观测浮标就是一种人们用来了解海洋、开发海洋的有用工具。利用海洋 监测浮标，人们可以测量波高、海流、海温、潮位、风速、压力等水文气象要素， 掌握了这些资料，将会给人们带来更多便利。海洋监测浮标分为水上浮标和水下 浮标。水上浮标装有多种气象要素传感器，分别测量风速、风向、气压、气温和 湿度等气象要素；水下浮标可携带多种水文要素的传感器，分别测量波浪、水深、 海温和盐度等海洋传感要素。各传感器产生的信号，通过仪器自动处理，由发射机 定时发出，地面接收站将收到的信号进行处理，就得到了人们所需的资料。有的浮 标被设立在离海岸很远的地方，便先将信号发往卫星，再由卫星将信号传送到 地面接收站【4 j 。 第一章绪论 1 2 海洋观测浮标的发展概况 海洋观测浮标系统又称中性漂流浮标系统，是海洋环境监测的重要设备之 一。海洋观测浮标按照与水面支持设备( 母船或平台) 间联系方式的不同，可以 大致分为两大类：一类是有缆水下观测浮标：另一类是无缆水下观测浮标，也称 为水下自主式观测浮标。 传统的有缆式海洋潜标系统一般由水下部分和水上机组成。水下部分一般 由主浮体、探测仪器、浮子锚系系统和释放器等组成。通常主浮体布放在海面下 1 0 0 米左右或更深的水域中；锚系系统将整个系统固定在某一选定的测点上。在 主浮体与锚之间的系留绳索上，根据需要挂放多层自动观测仪器和浮子，在系留 索与锚的连接处安装释放器。海洋潜标系统由工作船布放，观测仪器在水下进行 长周期的自动观测并将观测数据储存。回收系统时，工作船到达原测点，水上机 发送指令使释放器释放锚块，系统上浮回收【3 】。 传统的有缆布放式海洋观测潜标为了观测海面下不同深度的层面上的海洋 参数，须沿系缆在相隔几十米或几百米处的不同深度上放置观测所需仪器，因此， 由于携带的观测仪器数量多而导致成本很高。传统有缆式观测潜标适合长期的海 洋参数观测工作，不具备机动灵活的特点。 图1 - 1传统有缆式海洋潜标系统【3 】 2 第一章绪论 无缆式水下自主式海洋观测漂流中性浮标目前比较先进的有a r g o 浮标， 例如国际a r g o 科学组推荐各国使用的美国w e b b 公司研制的a p e x 型及法国 m a r t e c 公司研制的p r o v o r 型浮标，! f i | 图12 所示。 a p e x44*自provorq # 图1 - 2 国际先进的a r g o 浮标 a r g o 浮标的沉浮功能主要依靠液压驱动系统来实现。液压系统则由单冲程 泵、皮囊、压力传感器和高压管路等部件组成，皮囊装在浮标体的外部，有管路 与液压系统相连。当泵体内的油注入皮囊后会使皮囊体积增大，致使浮标的浮力 逐渐增大而上升。反之，柱塞泵将皮囊里的油抽回，皮囊体积缩小，浮标浮力随 之减小，直至重力大干浮力，浮标体逐渐下沉。若在浮标的控制微机中输八按预 定动作要求编写的程序，则微机会根据压力传感器测量的深度参数控制下潜深 度、水下停留时间、上浮、剖面参数测量、水面停留和数据传输，以及再次下潜 等工作环节，从而实现浮标的自动沉浮、测量和数据传输等功能。 当a r g o 浮标投放到海洋中某区域后，根据上述工作原理，它会自动下潜 到预定的深度例如2 0 0 0 米，然后自动上浮，井在上升过程中利用自身携带的 各种传感器进行连续剖面测量，当浮标到远海面后，通过卫星将测量数据传递给 浮标投放者。当数据传输完毕后，a r g o 浮标会再次下沉开始下一个测量过程1 6 。 ，iil暑t曩_ 第章绪论 图1 3a r g o 浮标剖面测量过程 a r g o 浮标的缺点是：它的测量过程是事先通过程序设定好浮标所要下清到 的深度，然后在上升过程巾利用自身携带的备种传感器进行连续剖面测量，当浮 标到达海面后，通过定位，与数据传输卫星系统自动将测量数据传送到卫星地面 接收站，经信号转换处理后发送给浮标棚有者。浮标在海面的停留时问约需6 1 2 h ，当全部测量数据传输完毕后，浮标会再次自动下沉到预定深度重新开始 f - 个循环过程。a r g o 浮标虽然不像有缆式浮标需携带很多组传感器，但是它 不能随时根据需要进行动作，也不具备在任意设定深度停斟的功能，不具备机动 灵活的特点，并h 数据不足实刚传输的需要在浮出水面后通过1 】星中转传输给 浮标拥有者。a r g o 浮标的最大捧 【 | 量有限，排油量的大小由液压驱动系统活塞 一个行程的排枘量所决定，受到液雎缸直径大小、长度的限制。 13 本课题的研究意义与内容 3 1 本课题研究意义 本课题研究是基于a r g o 浮标的基本工作原理，并在反求国外先进技术的 基础上进行浮标功能的拓展创新，新型海洋观测浮标的特点是具有实时通信功 能，既u j 以像a r g o 浮标那样根据预定程序动作也可以随时根据上位机的操 作指令进行l 浮f 潜动作，并且可以在任何一个设定的深度上进行定深，具有机 动灵活的特点。浮标和母船之间的通讯利用声通讯直接进行信息交流，母船可阻 与浮标进行通讯米操纵浮标的动作，并实时获得浮轫：所测得的数据。并h ，本课 题海洋观测浮标的液压系统在耐压壳体内部设置一个内皮囊用来储备液压油，当 第一章绪论 系统所需排油量大于活塞一个行程的排油量时，通过电磁阀位置的改变液压系统 可以将内皮囊内的液压油先抽入液压缸然后排入外皮囊中，解决了a r g o 浮标 的最大排油量有限的问题。 1 3 2 本论文研究的内容 本论文研究的主要内容是海洋观测浮标的耐压壳体的设计及尺寸优 化，上位机控制程序编写，内部液压系统设计以及抛载系统设计等。首先 介绍了浮标耐压壳体的设计要点，材料选择，尺寸确定，并利用a n s y s 有 限元分析软件对浮标耐压壳体进行优化，选择最优方案；其次介绍了浮标液 压系统内部构造，功能实现情况分析，及浮标的抛载机构设计；然后介绍了 上位机主控程序的各功能模块的设计方法，通信协议；最后实验部分包括： 1 海洋观测浮标的耐压壳体外水压力试验，将打压结果与之前的a n s y s 模 拟分析结合进行比对，验证a n s y s 模拟分析的合理性及实用价值；2 溶断 抛载试验，给出实验数据，为今后湖试提供参数选择依据。 第二章耐压壳体结构设计与优化 第二章耐压壳体结构设计与优化 2 1 浮标耐压壳体设计优化的目的与意义 水下观测浮标的耐压壳体用于产生耐压空腔，其内部用来装置电子元器件及 液压系统，并对浮标的控制和通讯系统进行保护，使其不受海洋等外部环境的影 响，以保证它们不会因海水的巨大压力和腐蚀而导致压溃及损坏，因此耐压壳体 必须要有足够的强度和可靠的密封。所以，耐压壳体的结构形式、强度等，对于 水下观测浮标来讲是至关重要的。同时，耐压壳体也是浮标浮力的主要提供者， 用于计算观测浮标在水中的净重量，使重力与浮力平衡。总之，耐压壳体的设计 对浮标整体性能的影响重大，耐压壳体的泄漏可能造成浮力损失，控制电路和电 池的损坏，进而导致观测浮标整体功能失效。而耐压壳体在压力作用下的压溃则 直接造成观测浮标整套系统的报废，产生严重损失。 2 2 耐压壳体结构设计与选材 2 2 1 水下观测浮标耐压壳体形状的选择 决定耐压壳体的形状、结构及所采用的材料的主要取决因素为水下观测浮标 的最大设计深度。这个数值是根据水下观测浮标的作业深度来决定。本观测浮标 的最大设计深度由设计任务书确定，为水下2 0 0 0 米。 水下观测浮标属于水下小型机器人的一种，水下机器人根据使用目的以及技 术要求的不同，其外形尺寸，结构形式都有很大差异。形体的选择要考虑的原则 和要求有：1 阻力小，航行性能好；2 足够的强度；3 便于总体布置；4 良好的工 艺性。小型水下机器人为了减小行进阻力，减少动力消耗，通常使用玻璃纤维或 金属材料将外表做成流线形体，如鱼雷形、盘形或球形。无缆水下机器人由于所 携带的能源有限，所以为增加水下运动时间，更应注意减小动力消耗，即尽量减 小在水下运动中所受到的阻力，因此，被更多地做成球形或鱼雷形载体【1 】。 常见的耐压壳形式主要有球形耐压壳、圆柱形耐压壳、多球形壳体、椭圆形 壳体等，最常见的为球形壳体及半球形封头的圆柱形壳体。球形壳体具有稳定性 高和密度小的特点，它的薄膜应力只有圆柱形壳体的一半，从应力和获得最小的 重量一排水量比值( w n ) 角度考虑，球形壳体最佳。但是，球壳内部空间不便 6 第二章耐压壳体站构设计与优化 于仪器装置的布置空间利用率差。被广泛采用的半球形封头的圆柱形壳体在 圆柱形部分的直径和长度不太大，外压比较小时，可用壳板厚度来保证强度和稳 定性，而当圆柱体直径较大。外压高时通常要用肋骨加强筋来保证壳体的稳定性。 圆柱形壳体能够有效地利用内部空间。但重量捧水量( w m ) 比值比球形壳体 火，尤其用肋骨加强后，会使重量增大，w n 比值提高，两种结构形式的优缺 点可归纳如下表： 表2 - l 两种酎压壳体形式优缺点比较 由于车课题的观测浮标作为一种水下观测通用平台，其内部需要携带大量仪 器设备的特点，最终选用内部空问利用率高且流体运动阻力小的圆筒形作为观测 浮标的耐压壳体形状。整个耐压壳体由三部分组成：两端的头耐压端盖1 ，尾耐 压端盖3 和中间酎压壳体2 ，如下图2 l 所示。 2 22 耐压壳体材料的选择 固2 - l 完整耐压壳结构图 由于观测浮标在深海的特殊使用条件对其耐压壳体的材料提出了特殊要求， 耐压壳体的材料有金属和非金属两类，不管选择哪一种都必须保证所设计的水下 观测浮标在限定的海洋环境下具有良好的性能。 选用耐压壳体的材料必须从多方面进行比较权衡，通过对材料的耐腐蚀性、 比强度、比刚度、可设计性、可生产性、可焊接性、可加工性、可装配性以及经 泠 第二章耐压壳体结构设计与优化 济性等的比较来进行选择。常采用的可作为耐压壳体材料的主要有：钢、铝、钛 三种材料【8 1 。 尺寸较大的耐压壳体往往采用高强度钢，因为它具有很高的屈服极限、较好 的疲劳和断裂强度以及较好的制造工艺性。钛合金具有良好的机械性能，在海水 中具有抗腐蚀的耐久性和无磁性，但钛合金法相弹性模量较低，受很大拉力时容 易引起应力腐蚀。而且就目前来讲，钛合金的应用严重受到其成本高、加工复杂 等的限制。高强度铝合金广泛应用与中小型水下机器人耐压壳体的制作。由于铝 合金比重小，可以在较低的w 值或相同的w 值下使观测浮标增大负载能力 或增大作业深度。高强度铝合金的缺点是焊接性差，采用适当的焊接工艺及优质 的焊条是十分必要的，以保证焊接质量及使用要求 1 l 。 最终根据耐压壳体在外压作用下的可靠性、轻便性以及壳体机械加工的方便 情况，选用硬铝合金材料作为耐压壳体使用材料。铝合金牌号为l y l 2 ，为可热 处理强化铝合金，经固溶处理加自然时效或人工时效后具有较高的强度，成形性 能良好，能获得各种类型的制品，在高温下软化倾向小，但抗腐蚀性能较差，点 焊性能良好而熔焊性能较差。材料主要化学成分如表2 1 所示，机械性能如表2 2 所示。 表2 2 硬铝合金l y l 2 主要化学成分 f e f e 加 f es ic uz na lm nc r1 1m g n i s b其他数据 s in i 单0 0 5 ： o 5 0o 5 03 8 4 9o 3 0余量o 3 o 90 1 51 2 1 8o 10 5 总0 1 0 表2 3 硬铝合金l y l 2 机械性能 取样方向抗拉强度a屈服强度m p a延伸率 标准值 实测值标准值实测值标准值实测值 纵向 3 9 0 0 0 04 9 52 5 5 0 0 03 1 51 6 0 根据耐压壳体直径，选用挤压管材，外径d 1 2 0 m m ，其主要力学性能抗拉 强度b = 4 9 5 m p a ，即材料的许用应力。 第二章耐压壳体结构设计与优化 2 3 耐压壳体结构的尺寸确定与优化比较 2 3 1 浮标耐压壳体结构的尺寸设计程序 依据设计任务书，明确水下观测浮标工作要求的条件，然后拟定整体布局图 和内部结构图，确定各部分材料，迸一步计算出重量、排水量、浮力，构成水下 观测浮标的主要因素是耐压壳体、观测传感设备、通信设备、动力设备，其他连 接机械装置、浮力部件等。除装在耐压壳体内的设备仪器的有效载荷外，相应其 余部分都具有浮体体积能够产生浮力。这其中尤其重要的是耐压壳体的强度必须 满足任务要求。水下观测浮标在工作时需要承受很大的海水压力，为了能够保证 耐压壳体强度及形状的稳定性，需要对耐压壳体的结构进行设计与优化，使得耐 压壳体既能满足工作需要，又能具有较轻的质量。 浮标耐压壳体的失效基本上都发生在中间耐压壳体上，因此以下的设计优化 的对象就是专门针对中间耐压壳体进行的。浮标耐压壳体的失效形式主要有两 种：一是因强度不足导致的强度失效；二是由变形导致的失稳破坏。但水下监测 平台在承受外压的情况下，其耐压壳体往往是由于当外压增大到一定值时壳体的 变形的对称性遭到破坏，外压力与变形之间的线性关系不复存在，在外压力作用 下失去原来的形状，即被压扁或皱破所导致的失稳破坏【l 】。 因此水下观测浮标的结构尺寸设计应遵循以下程序：首先根据稳定性要求对 壳体结构进行设计，确定结构参数，然后在利用a n s y s 有限元分析软件对结构 参数进行优化比较，选出最终的最优设计方案。 2 3 2 浮标耐压壳体结构的尺寸参数确定 首先需确定最小临界失稳压力。工作深度是指观测浮标在正常使用过程中所 能达到的最大深度，在设计耐压壳体时由于需要保留一定的强度储备，要采用比 极限深度更深的深度作为计算依据，称之为计算深度。计算深度通常情况下为工 作深度的1 2 5 l 。5 倍【1 0 】。依据设计任务书，本课题所涉及的海洋观测浮标工作 深度为2 0 0 0 m ，计算深度取为工作深度的1 3 倍，为2 6 0 0 米。在计算深度耐压 壳体所受的压力p 为： p = 0 0 0 9 8 x2 6 0 0 = 2 5 4 8 m p a ， 因此进行结构稳定性计算时最小临界失稳压力p m i n 为： p 疵= m p = 3 x 2 5 4 8 = 7 6 4 4 m p a ( 2 - 1 ) 式中，z 为安全系数，根据压力容器设计规范取安全系数m 取3 。耐压壳体结构 9 痢二革耐压壳体结构设“与优化 设计为嘲筒形。壳体材料为超硬铝，型号为i j v l2 ，材料的弹性模量为7 2 g p a 。 , f o , t h 8 质短圆筒失稳临界压力的近似计算公式来确定耐压壳件的结构参数1 。 ”d o 袁盎) 。4 ( 2 。) 式中h 为壁厚，d n 为固柱形耐压壳外径，为耐压壳体k 度，p 。i 。为摄小临界失 稳压力，为材料弹性模量。设计出几组相| | 司壁厚、不周外径、不同k 度的圆柱 形耐脏壳体，具体尺j 分别如下： ( 1 ) 外径i8 0 m r n ，壁厚1 0r r m l 长度】4 2 0 r a m ，三维模型如罔2 2 所示 ( 2 ) 外径2 5 0 r r m l 艟厚1 0 r a n l 长度8 9 0 m m ( 3 ) 外径2 5 0 m m 壁厚t o m m ，长度8 9 0 m m ，均布厚2 0 m m 长3 0 m m 的6 条 j j u 强肋，三维剖视图如图23 所示 ( 4 ) 外径2 5 0 m m ，蹙厚1 0 m m ，k 度1 0 3 0 r a m ，均师厚2 0 r a m 长3 0 m m 的7 条加强肋三维剖视图如图2 4 所示 圈22 外径1 8 0 m m 壁厚1 0 r a m 诞度1 4 2 0 m m 耐压壳体t 维模型 罔2 - 3 外径2 5 0 m m 壁厚i o m m 长度8 9 0 m m 均布6 条加强帖耐壳体l m 模型 图2 4 外径2 5 0 m m 肇厚l o m m 长废1 0 3 0 m m 均布7 条加强肋耐止壳体l n 模掣 第二窜耐压壳体结构设计与优化 2 33 四种耐压壳体结构的优化比较 在初步设计出四种不同结构的耐压壳体的基础上，下面将利用大型有限元分 析软件a n s y s 分别对以l 四组耐压壳进行水f 工作极限深度2 0 0 0 m 处的仿真模 拟，为了进行比对对四种模型施加完全相同的约束及压力，从而得到以上四纽 耐压壳在受到2 0 0 0 m 水压时的变形状态及其应力分布以及晟大应力数值，以此 为依据对四种耐压壳结构进行筛选比较。 1a n s y s 分析基本步骤 利用a n s y s 对耐压壳体结构在工作极限水深2 0 0 0 m 深处的仿真分析有二维 模拟和三维模拟两种，大致都要经过咀下几个主要步骤：1 模型建立：2 网格划 分，二维如图2 5 所示、三维如图2 6 所示：3 参数设置；4 加载求解，如图27 所示。但是三维分析要比二维分析在建模、网格划分、计算求解几个步骤上花费 更多的时间，但模拟结果也会更为准确j 。 圈25 二维模型呵格划分 留2 - 6 三维模型网格划分 第葶耐压先体结构鞋“与优化 图2 7 二维模型约束加栽 在以下的各不问尺寸结构酎压壳的模拟分析巾，l 一述a n s y s 分析的各个步骤将 不冉分别进行详细描迷，j 给m 加载后的求解结果，并对结果进行比较优化。 2 四种不同尺寸结构耐压壳体的二雏a n s y s 分析 首先对四种不同尺寸结构的耐压壳进行_ _ 维a n s y s 分析，进行初步方窠筛 选。 ( 1 ) 模型的二维a n s y s 分析 模型一在2 0 0 0 m 深度水压作用下的变形情况如蹦28 所示，崩中两条平行直 线间的区域所代表为耐压先体初始形状，壳休变形后的形状由位于初始形状下端 由时格填充的变形曲线之m 的区域表示。最大变形量出现在耐压壳体二端与半圆 型封头连接处，节点最大变形量为01 9 3 r a m 。 1。：nsys s t j p ；1 2 0 0 9 1 l ： 。z 5 t i h e ；1 图2 - 8 模型一压力变形图 模型一在2 0 0 0 m 深度水压作用下的应力强度分布情况如图2 9 所示，应力集 中出现在壳体两端接头法兰处，最大变形出现位置与接头法兰之问的区域麻力较 小图中m x 与m n 分别代表最大应力与最小应力出现的位置。壳体中间的应 力分布均匀，壳体壁由外层向内层应力逐渐增大内壁而应力大于外壁面。 第二章耐压壳体结构设计与优化 l q 趴俗 意焉，愚黑愚= ，烹= 知冠。 图2 - 9 模型一应力强度图 由图2l o 可以清楚地看到在耐压壳体的右端接头法兰出出现应力集中现 象，廊力数倩变化层孜分明最大麻力数倩为2 7 63 6 2 m p a 巾于材料的许用应力， 图2 1 0 挺型法兰处最高应力强度医 但m“删皿础 筇二章耐压壳体结构设计0 优化 ( 2 ) 模型_ 的二一维a n s y s 分析 模型_ 在2 0 0 0 m 深度水压作用f 的变形情况如图2 1 1 所示，整个壳体呈现 h 【1 1 1 形，堆大变形量出现在耐压壳体两侧弯曲处，节点最大变形量为o3 8 m m 。 人n 踊圆 图2 1 i 模型一压力变形阁 如图21 2 与21 3 所示，应力集中出现在壳体两端接头法兰处，最大变形出 现位置与接头法兰之间的区域应力最小。与模型一相同的是壳体中间的应力分布 均匀，与模型不| 司的是，壳体壁内外层应力大小均匀。 1 。；。一p d 、i s y s 焉焉曩愚黑，愚= 曩黑罴誊云兄。 图2 - 1 2 模型- 应力强度图 从法兰处应力分布截图21 3 中可以看到，最大应力出现在壳体右端接头法 兰处，最大应力数值为4 2 6 m p a ，此值已非常接近材料的许用应力4 9 5 m p a 。 n 一 第二章耐压壳体结构i 蹙计与优化 ( 3 ) 模型三的二维a n s y s 分析 模型三耐压壳体在2 0 0 0 m 深度水压作用下的变形情况如图21 4 所示，由于 加强肋的设置，壳体的变形呈渡浪状分布，位于每个加强肋之间的壳体部分均发 生凹陷，最大变形出现在左右端头的前两条加强肋之问，最大变形节为n3 8 6 m m ， 模型三应力强度分布如i 鳘| 21 5 所示，在每组加强肋之间的都会出现应力集 中现象，壳体最大变形处和最左右两端与头尾耐压端盖连接的接头法兰处的应力 集中虽为严重。最大应力出现在接头法兰处犀犬值为2 6 92 7 m p a 。 第一章耐压壳体结构设与优化 5 9 1 3 21 1 16 6 7j6 42 0 j2 1 6 7 3 6 图2 1 5 模型蔓应力强度分布罔 壳伴最大变形处的应力分布圈如图21 6 所示，在壳体山壁所受到的应力要 大于外壁所受到的应力。此处出现的最大应力数值为2 5 60 7 m p a ，与接头洼兰处 所受到的晟大应力数值2 6 92 7 m p a 相差不多。 1。nsys 蔫= ，烹男霉烹黑咒：零冠。：， 图2 1 6 模型三最大变形处应力强度丹_ l 囝 第= 章耐压壳体结构设计与优化 如图21 7 所示，最大应力数值出现在壳体右端接头法兰处，最大值为 盥2 1 7 投型一蛀高砬力强j 堂选 ( 4 ) 模型四的二维a n s y s 分析 如图21 8 所示，模型四在水下2 0 0 0 m 的变形情况与模型三相似- 壳体的变 形呈波浪状分布，位于每个加强助之问的壳体部分均发生凹陷，蛀大变形出现在 位于左右端的前两条加强肋之间，最大变形量为0 3 8 3 m m 。 1 。；， a n s k 7 s 1 ， $ 一l 】 l i 图2 i8 模型四压力变形图 模型四的应力强度分布如图21 9 可以看出模型四应力分布情况整体上与 模型三相似，但是不同点在于其昂大应力数值出现在模型的最大变形所在处，而 不是位于两端的接头法兰处。 第一草耐压壳体结构设计与优化 n s y s 太h h h h h ! ； “ 一： 罔2 - 1 9 模型四应力强度分布冈 如| f 22 0 所示，壳体右端法3 成力集巾处的最大虎力为2 4 i6 3 5 m p a 矧2 - 2 u 模坐四拉兰址j m 强艟竹自幽 第二章耐琏壳体结构设计与优化 从图22 1 中可蚍看出，最大应力处位于变形最大的壳体内壁弯曲最大挠度 处的壳体内壁面最大应力数值为2 5 12 1 8 m p g ，小于材料许用应力。 坚逊邀纽。! 。”鼍 ”t j s t ，。3 ，2 1 2 3 e5 ，k 2 i ：z ，j 。一日s # ，8s # 3 e z 6 f 3 。 q e6 4 197b51 日89 2 92 0 口0 1 q 图2 - 2 i 模型四最大变形处应力强度分布圈 ( 5 ) 对以上四种耐压壳体模型的二维a n s y s 分析结果进行比较 四种耐压壳体模型的最大变形量分别为01 9 3 m m ，03 8 0 r a m ，03 8 6 m m ， 03 8 3 m m 。壳体受到的是大应力分别为2 7 63 6 2 m p a 4 2 60 0 7 m p a ，2 6 92 7 m p a ， 2 5 12 1 8 m p a 。从以r 分析结果柬看模型一的变形量最小，其余三种模型的最 大变形数值大小基本一样，相差极小。模型二所受到的最大应力数值最大，且已 接近材料的许用应力极限，其余三种模型最大应力数值均在一个数量级上。第二 种模型由于所受的最大应力数值过大而不予采用，从初步分析结果来看第一种模 型在变形量方面更优于其他模型，而模型四在最大应力方面最优，不好进行进一 步筛选。为了进一步对模型进行筛选比较，还需利用a n s y s 软件对模型一、三、 四进行三维a n s y s 分析，得到更为准确的三维分析结果后再进行比较。 3 三种不同尺寸结构的耐压壳的三维a n s y s 分析 对三种不同尺寸结构的酎压壳进行三维a n s y s 分析，进行虽终方案确定。 ( 1 ) 模型一的三维a n s y s 分析 模型的三维a n s y s 分析应力强度情况分布如图22 2 所示，壳体的最大变 形量为o0 5 9 3 7 9 m m ，最大应力为6 5 47 5 9 ，是犬应力出现右端法兰处内壁面。与 目 一 势 一 里 舻 ；i 垫 粤 一 一 虬 * 坚 州 黾_ 塾 琶 o “ ，嘲 | | ， l 5 第二章耐伍壳体结构最计与优化 维分析结果不同，模型一的二二维分析结果显示出壳体所受的庙力分布更加确规 则，应山沿壳体径向旱层状分布，壳体的内壁为高应力区外壁应力较低，这是 由丁内壁受到的挤压变形较为严重所致。但是三维分析无法同二维分析一样分析 出展火变形产生位置在接头法兰处，所以模型一的结果分析需要把二维和三维结 粜综台起来进行考虑。 5 67s j z5 d 0 j 1 6b u b3b 5 口8 jb 5u 0 5 72 2 4s 9 66 0 86 1 5 9 9 253 7 56 s 4 s 9 f i l e ：o 、咩描标、t t 自航 亍器主i 自耐压试* 折m 自、l n 、目* x 一 图2 2 2 模犁。三维应力强度目 ( 2 ) 模型三的三维a n s y s 分析 模型三在2 0 0 0 m 深度水压作用下的变形情况如幽22 3 所示。躅中虚线所代 表的是壳体原始形状，可以看到耐压壳体表面在压力作用下呈现山波浪状的皱 裙现象，在两肋板之间的部分均有不同程度的凹陷，最大变形量为o0 0 1 7 7 6 r n m 。 睦 角二章耐压壳体结构设计与优化 目2 - 2 3 模型三三维压力变形图 模型三的三维a n s y s 分析应力强度情况分布如图22 4 所示，三维应力强度 分析结果与二维a n s y s 分析结果相比更加准确，如图所示，整个壳体上的应力 呈对称分布应力集中现象发生每个相邻的加强肋之间有加强肋的部位由于得 到强度补足，应力状况得到缓解。撮大应力处位于壳体正中，最大斑力值为 5 5 98 2 7 m p a ，此数值已经超出了材料的许用应力。 n s y s 舞焉，黑黑_ = 再黑：! ：s 冠。：， 图2 - 2 4 模型三三维应力强度图 第= 章耐j t 壳体结构设计与优化 ( 3 ) 模型四的二维a n s y s 分析 模型凹在2 0 0 0 m 深度水压作用下的变形情况如图22 5 所示。时中壳体表而 波浪状的变7 骺情况非常清晰，最大变彤出现在两端的肋板之间最大变形量为 00 0 0 3 9 2 m m 。 n 趴s 同22 5 模型四i 维压力变形图 模型凹的三维应力强度分布如圈22 6 所示，与模型三的分析结果相近的是 应力集中现象度生在每两个相邻的加强肋之间，且每组肋板间的应力大小相近， 耐压壳体设置加强肋的部位所受应力强度相对较小。与模型三的分析结果不同， 模型四的虽大应力出现在壳体最两端的肋板问靠近法兰处即两端第一个凹陷 处，最大应力值为2 5 i3 4 2 m p a ，此值没有超过许用应力极限。 第二章酎压壳体结构设计与优化 j v 踊焉 墨鼍，息= ，愚= ，愚= ! 曩冠。 圈2 - 2 6 模型四三维应力强度罔 ( 3 ) 对上述三种耐压壳体模型的三维a n s y s 分析结果进行比较 从以上分析结果可以看出模型一精确的三维分析结果与粗略的二维分析结 果不同变形量和所受应力相对模型三、四都较大，且最大应力值达到 6 5 47 5 9 m p a ，己超出材料许用极限，且模型一直径尺寸较小，长度较大，内部 空间不便于仪器装置的布置，空间利用率差缺点非常明显。模型三、四的最大 变形量分别为00 0 1 7 7 6 m m ，00 0 0 3 9 2 m m ，壳体受到的最大应力分别为 5 5 98 2 7 m p a ，2 5 13 4 2 m p a 。模型四无论从最大变形量还是所受到的昂大应力都 比模型三小得多，且模型三的最大应力也已超出材料的许用应力极限。经过二维 a n s y s 分析结果比较，确定选择模型四为海洋浮标耐压壳体的最终结构方案。 234 模型四的结构尺寸优化 上一环节，利用a n s y s 有限元分析软件对四种耐压壳模型进行仿真模拟， 通过对各自求解结果的比较从中筛选出了最佳结构方案模型四。然而，虽然模 型四的最大变形量和屉大应力值均在较合适的范围内。但是模型四存在一点不 足，由于最大应力及最大变形出现在最两端的肋板之问，与壳体接头法兰处非常 接近，容易导致法兰处的变形( 可参看第五张外水眶力实验部分) ，一旦变形过 大便会破坏耐压壳体接头法兰和半圆形端盖间的配合，导致无法拆卸。最大应力 集中出现在最两端的肋扳问，而壳体法兰处是整个耐压壳体上应力最小的区域， 第一章耐压壳体结构设与优化 出现这种现象的原因主要是由于壳体洼兰处与半圆形封头的刚性连接导致。 本环节，希望能够对模型四的局部结构尺寸进行调整，咀达到优化的目的， 现考虑对设置于耐压壳体晟两端的两组加强肋之问的距离进行改变看能否改善 壳体的变形和应力状况。模型四的原始设计两端肋问距尺寸为1 3 0 r a