钛合金深海耐压舱结构设计

钛合金深海耐压舱结构设计杨卓懿;庞永杰【摘要】Basedontheminimumweightprincipleandserviceconditions,cylindershellmadebytitaniumalloyisdesignedfor2000mdivingdepthusingthecriterionandfiniteelementanalysis.Flatcoverwithmanyopeningsisalsodesignedandana-lyzed.ThedesignvariablesareselectedandtheparameterizationFEnodelofpressureshellisestablished.TheoptimalstructureofpressureshellisattainedbyusingIsight.Thepressureexperimentiscarriedouttovalidatethattheproposeddesignmethodissuitableandthedesignedpressuredshellcanmeettherequirementsofmechanicalperformanceandweight.%根据最小重量原则及耐压舱的使用要求，结合规范和有限元方法设计工作潜深为2000m的钛合金圆柱耐压舱，并对带有多个开孔的端部平盖封头进行结构设计与校核。针对圆柱舱建立参数化结构有限元模型，并在Isight集成优化环境下进行结构优化并获得最优解。对耐压舱进行打压试验，验证了设计方法的有效性，深海压力舱满足力学性能和重量要求。【期刊名称】《船海工程》【年(卷)，期】2015(000)002【总页数】4页(P64-66,70)【关键词】耐压舱;钛合金;结构设计;压力试验【作者】杨卓懿;庞永杰【作者单位】山东交通学院船舶与海洋工程学院，山东济南250000；哈尔滨工程大学水下机器人技术重点实验室，哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】U661.4耐压壳是深潜器重要的结构，一旦耐压壳出现结构破损，水密舱室漏水，将会引起电池短路、电子仪器设备故障甚至电控系统崩溃以致潜水器丢失的恶性事故。因此，设计出具有足够的强度稳定性和尽可能轻重量的耐压壳是深海潜器设计的重要任务。在多种用途的潜水器中，环肋圆柱形耐压舱有着最广泛的应用，其优点是易于加工、便于舱内设备布置。根据实际的使用要求，耐压舱需要开一个或多个贯穿孔，其开孑L主要集中在两端的封头上，通常用于设备电缆的贯穿，以提供能源及信息传输。根据潜水器的使用要求，考虑最小重量原则及内部设备布置要求，基于规范［1］和有限元方法［2］设计工作潜深为2000m的深潜器耐压舱。耐压舱端部采用平盖封头的圆柱壳，并采用比强度高的钛合金材料，在Isight［3］集成优化环境下进行结构优化并获得最优解。在我国现行的潜器入级与建造规范中耐压壳强度和稳性计算及其校核标准沿用了潜艇设计计算规范中的相关部分，规范中所提供的各种应力和屈曲压力计算公式是针对潜深在300m左右的、采用600MPa级的921材料的耐压结构［4］。大深度潜器耐压壳所用材料、结构形式较之一般潜艇结构形式有着显著的差别，因此对超出规范适用范围的大深度潜器耐压结构的设计，不能完全照搬规范中的设计公式和图表数据来完成其强度与稳性计算。用有限元分析方法来模拟计算潜器耐压结构的破坏强度和破坏过程是耐压结构设计过程中不可缺少的环节。文中基于非线性有限元方法，对承受2000m海水压力的钛合金耐压壳的的强度及稳定性进行讨论。1.1钛合金的材料非线性分析耐压壳选用钛合金材料的优点是质轻（密度约为钢的60%）,高强（屈服极限可达800MPa以上），耐海水腐蚀，无磁性。因此，尽管存在焊接要求高，加工复杂，价格较高等缺点，钛合金材料仍可作为深潜器耐压壳的首选材料。文中对钛合金材料的耐压壳结构性能进行分析计算，其材料性能参数，以及试验数据来自于文献[5]。根据材料的拉伸试验曲线。=。何），用试验数据应用最小二乘法拟合出多项式近似模型。=a0+a1£+a2£2+a3£3。根据E（o）=do/d8求出E（o）的表达式。根据钛合金材料的试验曲线，分线弹性阶段、非线性弹性阶段、屈服到极限阶段，得到应力。与应变£的近似关系式。式中各系数值如下。由以上公式得到钛合金材料曲线的割线弹性模量Es和切线弹性模量Et数学表达式。从拉伸曲线中选择代表点在ANSYS中进行设置，得到钛合金应力-应变曲线，见图1,自动得出弹性模量。钛合金的材料参数如下:弹性模量E为124.3GPa，泊松比为0.35，比例极限为640MPa，屈服极限800MPa，拉伸极限875.2MPa,密度为4850kg/m3。1.2钛合金耐压舱的结构有限元分析对深潜器而言，下潜深度大、所承受压力大，导致所需耐压壳的厚径比较大，已不满足薄壳理论的相关假设要求，因此采用实体建模，选实体单元Solid186对模型进行网格划分。在实际使用时，耐压壳两端与封头连接形成水密舱，因此在对有限元模型设置约束条件时，对圆柱壳端部进行六自由度的完全约束。参照规范，在计算结果中分别提取相邻肋骨中点处壳板的周向应力。1,肋骨处壳板的轴向应力（支座边界处壳板横剖面上的内表面应力）。2，肋骨应力。3。图2为求解后的位移、应变云图，周向、轴向及肋骨的应力云图。根据舱内设备布置情况确定内径R=155mm，长度L=546mm。给定圆柱形耐压舱的结构初值，取厚度t=12mm，法兰、肋骨尺寸=22mmx6mm（截面高x宽），肋骨间距为136mm，初始重量值为34.6kg。由图2可见，文中计算与文献［6］中的理论分析是一致的，即在相邻肋骨跨度的中点处出现了壳板周向的最大应力，在肋骨与圆柱壳连接处出现了轴向最大应力。1.3耐压舱的结构优化利用Isight设计环境，使用序列二次规划法（NSPQL）,将耐压舱厚度t,肋骨数量n，矩形肋骨截面尺寸b和h,作为设计变量;以最小重量作为优化的目标函数;将规范中对于结构应力、屈服压力的要求作为约束条件。优化得到最优结果见表1。经优化后，耐压壳的厚度值t=10mm,n=5，肋骨尺寸为20mmx10mm,重量值为32.9kg。优化前后的结构相比，重量减少了4.91%，优化后模型查卷参数见表1。根据规范［7］选择适用范围为受外压的无孔平盖设计、有孔已被加强的平盖设计计算公式。首先不考虑开孔，初步设计厚度，安全系数取1.5，圆形平盖的计算厚度（螺栓法兰连接）公式如下。式中：［。］t——许用应力；中——焊接接头系数，取午1.0;Dc——平盖计算直径，Dc=0.3323m;K—结构特征系数，与操作状态及预紧状态相关，根据规范取K=0.3。则不开孔时，平盖的厚度为耐压舱在实际使用过程中，需要开一个或多个圆孔，其开孔主要集中在两端的封头上，通常用于设备电缆的贯穿，以提供能源及信息传输。根据规范规定平盖开孔直径之和d<0.5Dc=0.16615m时，如果采用加厚平板代替补强，可将上式K用K/u（u为削弱系数）代替。考虑端盖开孔数量最多时的计算情况，开孔直径之和d=0.156m<0.5Dc。则削弱系数则此时平盖的厚度为最终，平盖厚度按52mm设计，并保证每个舱盖上的开孔直径之和不大于160mm。为了进一步研究平盖封头开孔大小、开孔分布对耐压壳强度的影响，文中采用有限元方法对设计后的开孔封头进行了强度计算。图3是对模型进行计算，受到30MPa静水压力计算结果，Mises应力为637MPa，在内部小孔边缘处最大。图4是在30MPa静水压力下，平盖的位移云图，最大位移发生在中心，为0.7mm。通过计算，可以得出以下设计经验，对于多个开孔的压力舱封头，满足规范的条件下，开孔应尽量远离位移中心，并均匀分布。深海耐压仪器舱设计制造完成后，需要进行压力试验。该耐压舱是用在深海，所以采用液压试验，试验液体选用水在检验其耐压能力的同时也便于观察水密性能。2014年5月在哈尔滨工程大学综合试验水池高压试验罐中对耐压舱进行了压力试验，见图5。根据规范，打压试验压力取1.25倍的工作压力即25MPa，保持3h不泄压，验证了耐压舱满足压力与水密要求。1） 耐压舱经过耐压试验满足使用要求。2） 基于ANSYS的二次开发工具APDL建立了耐压舱的参数化结构有限元分析模型，并在Isight集成优化环境下进行了结构优化并获得最优解，达到了水下结构减重的目的。该方法提高了计算效率，并且可以为后续优化工作提供前提。3） 通过压力容器规范进行平盖设计，并通过有限元校核了带有多个开孔的平盖结构。耐压舱采用平盖封头，平盖封头空间占用率低，易于加工，在实际工程应用中更具有优势。4） 对于大深度潜器的耐压壳来说，高强度、低密度、耐腐蚀的钛合金应该是首选材料。【相关文献】[1]中国船级社.潜水系统与潜水器入级与建造规范[S].北京:人民交通出版社，1996.[2]苟鹏，崔维成.多球交接耐压壳结构优化问题的研究[J].船舶力学，2009.4,13(2):269-277.[3]iSIGHTReferenceGuide[M].USA:EngineiousSoftware,2004.[4]刘涛