【《海底空间模拟舱结构设计案例》2300字】

海底空间模拟舱结构设计案例1.1海底空间模拟舱结构设计应考虑的问题随着科学技术的发展,人类不断深入地开发海洋资源和利用海洋资源，海洋油气资源在其中占有很大的比例。对于海洋油气的开发和利用设备的研发，模拟这样的一个高压低温的海底环境尤为重要。而模拟舱高压高温或者低温的内环境，腐蚀介质的因素，对结构的强度，材料的选择，提出了较高的要求。如果在结构设计和材料选择上没有准确地进行评估，将会带来很多安全隐患。而在保证结构强度安全性的同时，也要考虑模拟舱的经济性问题。既不能过分强调结构的安全性，造成材料的浪费。也不能为了降低成本而选择便宜的材料，降低了模拟舱的质量。海底空间模拟舱选型海底空间模拟舱通常来说有卧式和立式两种，各有优缺点。卧式海底空间模拟舱占地面积较大，但是相对来说可供测试设备所使用的空间也相对较大，对于模拟情况的监测比较方便。立式占地面积小，但是需要向地下挖较深的空间，并且监测设备的安装相对不方便。REF_Ref71280941\r\h[3]压力容器和鞍座材料的选择由于压力容器内部受压较大，所以选择的材料需要具有比较好的强度。又由于压力容器的制造工艺方法，材料也需要较好的韧性和塑性。对于鞍座这种支持结构来说，材料的强度是首要考虑的因素。1.2海底空间模拟舱的初步设计方案1）项目概述海底模拟舱拟为大型实验设备，模拟设备所处的海底环境，配备图像采集系统、数据采集系统、海流模拟系统、水文模拟系统等。高压舱是个巨大的圆柱形容器，，内设水下照明及摄像设备，能进行各类海工设备在高压环境下的实验。为各类高校提供实验平台，为有关企业和教学单位提供各类培训。海底模拟舱主要由循环管道、压力容器、轴流泵、电气控制、辅助系统、测量设备等组成，形成所需要的稳定流速以及高压环境。设备主体为卧式循环结构，充满海水，在轴流泵的推动下循环流动。在增压泵的配合下，压力达到最大值。图3-1海底空间模拟舱概念设计图3-2海底空间模拟舱概念设计剖面2)技术参数（1） 深海模拟舱尺寸：7.9m×5.7m×2m（长×宽×高），压力容器直径1.2米，高1.8米。（2） 最大流速：0.4m/s（3） 高压容器加长段直径：φ1.2m（4） 压力舱回路直径：φ0.51m（5） 压力舱回路水平中心高：1115mm（6） 轴流泵：1套（7） 设计流量：1.13m3/s（8） 与电机连接方式：皮带轮减速拖动3)功能特点深海模拟舱应用了水动力学原理，结合现有大型循环水槽、空泡水筒等的设计及成功使用经验，参照钢制压力容器设计要求等进行设计。在国内外领先的高压模拟舱技术基础上，具备以下特色： （1）整个模拟舱能模拟2种环境进行实验，压力容器进出水封闭时进行最大静压实验，进出水封头移开后接上回路法兰进行的水平层流实验；（2）整个回路的进水段及水平段各设置了蜂窝整流器，目的是为了消除流动中的漩涡、降低湍流度、获得均匀平直的流动水流；（3）四个弯头处内设置由圆弧形导流片，其作用是将水平的水流折转90°流动，并使水流折转光顺、稳定、无分离；（4）实验水流速度可调，轴流泵的作用是驱动水槽内的水循环，调节轴流泵的转速使回路获得所需要的水速。（5）海底模拟舱配备一系列测控设备，能够采集舱内盐度、温度、压力等基础数据，可以满足科研实验量测需要，大幅提升模拟舱的科研用途；4)配置情况表3-1海底空间模拟舱概念设计配置组件/模块数量/套规格备注设备主体框架结构1海底模拟舱尺寸7.9m×5.7m×1.8m（长×宽×高）结构：卧室框架，配有1.2米直径压力容器包括压力容器，模拟舱回路等转换封头1高压实验时配有专用封头转换轴流泵1最大流速：0.4m/s流量：1.13m3/s轨道装置115kg/m轻轨方便调整试件辅助系统1包括进水、排水系统测量设备1电控配件1软件测量系统1用于采集舱内盐度、温度、压力等5)主要压力容器，封头，及鞍座设计及材料选择图3-3压力容器设计图主压力容器采用18MnMoNbR钢，封头为机械启闭装置，这里简化为椭圆形封头。图3-4压力容器鞍座设计图图3-4循环管道鞍座设计图鞍座材料选用Q235-B钢，鞍座设计参照直鞍座设计方法设计。4海底空间模拟舱建模由于AnsysWorkbench所自带的几何建模模块DesignModeler建立模型过程较为复杂，效率很低。所以使用solidworks建模后导入ansys进行有限元分析。4.1SolidWorks建模概述Solidworks是solidworks公司在总结和继承了大量机械CAD软件的基础上而推出的，它吸取了大量的其它机械三维设计软件软件的优势。REF_Ref71460755\r\h[10]能够进行建模的领域非常广泛，包括工程机械行业，医疗器械行业，运动器材行业，卫浴行业等。界面友好易用，能对设计意图进行捕捉并且引导设计修改。Solidworks有自顶向下和自底向上两种建模思路。自底向上是较为常用的方法，先设计各个零件，再按照图纸在相应位置进行装配。设计的过程中可以随时对零件的参数进行更改，可以实时更新到装配体上。自顶向下是先设计整体装配图，再进行零件的分割和修改，零件的特征是由装配体中目个定义确定的，整个设计都来自于顶部（装配体），这比较符合一般的设计思维，尤其在在设计的初期阶段，设计中的零部件特性不明显，可以更好的把握整体情况。REF_Ref71463336\r\h[11]4.2主压力容器、循环管道和鞍座建模图4-1压力容器和循环管道建模图图4-2循环管道鞍座建模图图4-3压力容器鞍座建模图图4-4海底空间模拟舱建模装配图从图3-1、3-2可以看出，模拟舱结构较复杂，不仅外部有较多支撑结构，内部更有导流片等设备，而这些结构在受力分析过程并不会对总体刚度造成影响，但是这些结构的存在往往加大了很多的计算量，延长了计算时间，所以在将模拟舱的三维模型导入AnsysWorkbench分析之前需要对复杂且对分析结果影响很小的结构特征进行简化。对所求结果影响很小的结构和受力，作集中处理，或者直接删除.结果影响较大且结构不易简化，受力较复杂的也要进行相应的简化。REF_Ref7