耐壓殼是深潛器重要的構(gòu)造，一旦耐壓殼消滅構(gòu)造破損，水密艙室漏水，將會(huì)引起電池短路、電子儀器設(shè)備故障以及電控系統(tǒng)崩潰以致潛水器喪失的惡性事故。因此，設(shè)計(jì)出具有足夠的強(qiáng)度穩(wěn)定性和盡可能輕重量的耐壓殼是深海潛器設(shè)計(jì)的重要任務(wù)。在多種用途的潛水器中，環(huán)肋圓柱形耐壓艙有著zui廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)是易于加工、便于艙內(nèi)設(shè)備布置。依據(jù)實(shí)際的使用要求，耐壓艙需要開(kāi)一個(gè)或多個(gè)貫穿孔，其開(kāi)孔主要集中在兩端的封頭上，通常用于設(shè)備電纜的貫穿，以供給能源及信息傳輸。依據(jù)潛水器的使用要求，考慮zui小重量原則及內(nèi)部設(shè)備布置要求，基于標(biāo)準(zhǔn)[1]和有限元方法[2]設(shè)計(jì)工作潛深為2000m的深潛器耐壓艙。耐壓艙端部承受平蓋封頭的圓柱殼，并承受比強(qiáng)度高的鈦合金材料，在lsight[3]集成優(yōu)化環(huán)境下進(jìn)展構(gòu)造優(yōu)化并獲得zui優(yōu)解.

在我國(guó)現(xiàn)行的潛器入級(jí)與建筑標(biāo)準(zhǔn)中耐壓殼強(qiáng)度和穩(wěn)性計(jì)算及其校核標(biāo)準(zhǔn)沿用了潛艇設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)局部，標(biāo)準(zhǔn)中所供給的各種應(yīng)力和屈曲壓力計(jì)算公式是針對(duì)潛深在300m左右的、承受600MPa級(jí)的921材料的耐壓構(gòu)造[4]。大深度潛器耐壓殼所用材料、構(gòu)造形式較之一般潛艇構(gòu)造形式有著顯著的差異，因此對(duì)超出標(biāo)準(zhǔn)適用范圍的大深度潛器耐壓構(gòu)造的設(shè)計(jì)，不能完全照搬標(biāo)準(zhǔn)中的設(shè)計(jì)公式和圖表數(shù)據(jù)來(lái)完成其強(qiáng)度與穩(wěn)性計(jì)算。用有限元分析方法來(lái)模擬計(jì)算潛器耐壓構(gòu)造的破壞強(qiáng)度和破壞過(guò)程是耐壓構(gòu)造設(shè)計(jì)過(guò)程中不行缺少的環(huán)節(jié)。文中基于非線(xiàn)性有限元方法，對(duì)承受2000 m海水壓力的鈦合金耐壓殼的的強(qiáng)度及穩(wěn)定性進(jìn)展?fàn)幷摗?/p>

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1.1鈦合金的材料非線(xiàn)性分析

耐壓殼選用鈦合金材料的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)輕(密度約為鋼的 60%)，高強(qiáng)(屈服極限可達(dá)800 MPa 以上)，耐海水腐蝕，無(wú)磁性。因此，盡管存在焊接要求高，加工簡(jiǎn)單，價(jià)格較高等缺點(diǎn)，鈦合金材料仍可作為深潛器耐壓殼的重要材料。文中對(duì)鈦合金材料的耐壓殼構(gòu)造性能進(jìn)展分析計(jì)算，其材料性能參數(shù)，以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自于文獻(xiàn)[5]。

依據(jù)材料的拉伸試驗(yàn)曲線(xiàn) σ=σ(ε)，用試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用zui小二乘法擬合出多項(xiàng)式近似模型 σ= a0+a1ε+a2ε2+a3ε3。依據(jù) E(σ)=do/dε 求出 E(σ)的表達(dá)式。依據(jù)鈦合金材料的試驗(yàn)曲線(xiàn)，分線(xiàn)彈性階段、非線(xiàn)性彈性階段、屈服到極限階段，得到應(yīng)力σ與應(yīng)變?chǔ)诺慕脐P(guān)系式。式中各系數(shù)值如下。

由以上公式得到鈦合金材料曲線(xiàn)的割線(xiàn)彈性模量 Es 和切線(xiàn)彈性模量 Et 數(shù)學(xué)表達(dá)式。從拉伸曲線(xiàn)中選擇代表點(diǎn)在 ANSYS 中進(jìn)展設(shè)置，得到鈦合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，自動(dòng)得出彈性模量。鈦合金的材料參數(shù)如下:彈性模量E為124.3 GPa，泊松比為 0.35，比例極限為 640 MPa，屈服極限 800 MPa，拉伸極限 875.2 MPa密度為 4 850 kg/m3。

1.2 鈦合金耐壓艙的構(gòu)造有限元分析

對(duì)深潛器而言，下潛深度大、所承受壓力大，導(dǎo)致所需耐壓殼的厚徑比較大，已不滿(mǎn)足薄殼理論的相關(guān)假設(shè)要求，因此承受實(shí)體建模，選實(shí)體單元 Solid186 對(duì)模型進(jìn)展網(wǎng)格劃分。在實(shí)際使用時(shí)，耐壓殼兩端與封頭連接形成水密艙，因此在對(duì)有限元模型設(shè)置約束條件時(shí)，對(duì)圓柱殼端部進(jìn)展六自由度的完全約束。參照標(biāo)準(zhǔn)，在計(jì)算結(jié)果中分別提取相鄰肋骨中點(diǎn)處殼板的周向應(yīng)力 σ1，肋骨處殼板的軸向應(yīng)力(支座邊界處殼板橫剖面上的內(nèi)外表應(yīng)力)σ2，肋骨應(yīng)力 σ3。依據(jù)艙內(nèi)設(shè)備布置狀況確定內(nèi)徑R=155 mm，長(zhǎng)度L=546 mm。給定圓柱形耐壓艙的構(gòu)造初值，取厚度t=12mm，法蘭、肋骨尺寸=22 mmx6mm(截面高x寬)，肋骨間距為 136 mm，初始重量值為 34.6 kg。文中計(jì)算與文獻(xiàn)[6]中的理論分析是全都的，即在相鄰肋骨跨度的中點(diǎn)處消滅了殼板周向的zui大應(yīng)力，在肋骨與圓柱殼連接處消滅了軸向zui大應(yīng)力。

1.3 耐壓艙的構(gòu)造優(yōu)化

利用 lsight 設(shè)計(jì)環(huán)境，使用序列二次規(guī)劃法(NSPQL)，將耐壓艙厚度 t，肋骨數(shù)量n，矩形肋骨截面尺寸b和 h，作為設(shè)計(jì)變量;以zui小重量作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù);將標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于構(gòu)造應(yīng)力、屈服壓力的要求作為約束條件。經(jīng)優(yōu)化后，耐壓殼的厚度值t=10mm，n=5，肋骨尺寸為20mmx10 mm，重量值為 32.9 kg。優(yōu)化前后的構(gòu)造相比，重量削減了4.91%。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[7]選擇適用范圍為受外壓的無(wú)孔平蓋設(shè)計(jì)、有孔已被加強(qiáng)的平蓋設(shè)計(jì)計(jì)算公式。首先不考慮開(kāi)孔，初步設(shè)計(jì)厚度，安全系數(shù)取 1.5，圓形平蓋的計(jì)算厚度(螺栓法蘭連接)公式如下。

式中:[o]t——許用應(yīng)力; φ——焊接接頭系數(shù)，取 φ=1.0；Dc------------——平蓋計(jì)算直徑，Dc=0.3323m;

K--構(gòu)造特征系數(shù)，與操作狀態(tài)及預(yù)緊狀態(tài)相關(guān)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)取K=0.3。

耐壓艙在實(shí)際使用過(guò)程中，需要開(kāi)一個(gè)或多個(gè)圓孔，其開(kāi)孔主要集中在兩端的封頭上，通常用于設(shè)備電纜的貫穿，以供給能源及信息傳輸。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定平蓋開(kāi)孔直徑之和 d≤0.5Dc=0.16615 m 時(shí)，假設(shè)承受加厚平板代替補(bǔ)強(qiáng)，可將上式K用 K/(u 為減弱系數(shù))代替?？紤]端蓋開(kāi)孔數(shù)量zui多時(shí)的計(jì)算狀況，開(kāi)孔直徑之和 d=0.156 m<0.5Dc。則減弱系數(shù)，則此時(shí)平蓋的厚度為zui終，平蓋厚度按 52 mm 設(shè)計(jì)，并保證每個(gè)艙蓋上的開(kāi)孔直徑之和不大于160mm.

為了進(jìn)一步爭(zhēng)論平蓋封頭開(kāi)孔大小、開(kāi)孔分布對(duì)耐壓殼強(qiáng)度的影響，文中承受有限元方法對(duì)設(shè)計(jì)后的開(kāi)孔封頭進(jìn)展了強(qiáng)度計(jì)算。對(duì)模型進(jìn)展計(jì)算，受到 30MPa靜水壓力計(jì)算結(jié)果，Mises應(yīng)力為 637 MPa，在內(nèi)部小孔邊緣處zui大。在 30 MPa靜水壓力下，平蓋的位移云圖，zui大位移發(fā)生在中心，為 0.7mm。通過(guò)計(jì)算，可以得出以下設(shè)計(jì)閱歷，對(duì)于多個(gè)開(kāi)孔的壓力艙封頭，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的條件下，開(kāi)孔應(yīng)盡量遠(yuǎn)離位移中心，并均勻分布。深海耐壓儀器艙設(shè)計(jì)制造完成后，需要進(jìn)展壓力試驗(yàn)。該耐壓艙是用在深海，所以承受液壓試驗(yàn)，試驗(yàn)液體選用水在檢驗(yàn)其耐壓力量的同時(shí)也便于觀(guān)看水密性能。2023 年5月在哈爾濱工程大學(xué)綜合試驗(yàn)水池高壓試驗(yàn)罐中對(duì)耐壓艙進(jìn)展了壓力試驗(yàn)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，打壓試驗(yàn)壓力取 1.25 倍的工作壓力即 25 MPa，保持3h不泄壓，驗(yàn)證了耐壓艙滿(mǎn)足壓力與水密要求。

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1)耐壓艙經(jīng)過(guò)耐壓試驗(yàn)滿(mǎn)足便用要求。

2)基于 ANSYS 的二次開(kāi)發(fā)工具 APDL 建立了耐壓艙的參數(shù)化構(gòu)造有限元分析模型并在 lsight 集成優(yōu)化環(huán)境下進(jìn)展了構(gòu)造優(yōu)化并獲得zui優(yōu)解，到達(dá)了水下構(gòu)造減重的目的。該方法提高了計(jì)算效率，并且可以為后續(xù)優(yōu)化工作供給前提。

3)通過(guò)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展平蓋設(shè)計(jì)，并通過(guò)有限元校核了帶有多個(gè)開(kāi)孔的平蓋構(gòu)造耐壓艙承受平蓋封頭，平蓋封頭空間占用率低，易于加工，在實(shí)際工程應(yīng)用中更具有優(yōu)勢(shì)。

4)對(duì)于大深度潛器的耐壓殼來(lái)說(shuō)，高強(qiáng)度、低密度、耐腐蝕的鈦合金應(yīng)當(dāng)是重要材料。（本文轉(zhuǎn)載）

[相關(guān)文獻(xiàn)]

[1]中國(guó)船級(jí)社.潛水系統(tǒng)與潛水器入級(jí)與建筑標(biāo)準(zhǔn)[s].北京:人民交通出版社，1996.

[2]茍鵬，崔維成.多球交接耐壓殼構(gòu)造優(yōu)化問(wèn)題的爭(zhēng)論[J].船舶力學(xué)，2023.4，13(2):269-277.

[3]iSIGHT Reference Guide [M] .USA:Engineious Software,2023.

[4]劉濤.大深度潛水器構(gòu)造分析與設(shè)計(jì)爭(zhēng)論[D].無(wú)錫:中國(guó)船舶科學(xué)爭(zhēng)論中心，2023.

[5] 李良碧，王仁華，俞銘華，等.深海載人潛水器耐壓球殼的非線(xiàn)性有限元分析[J].中國(guó)造船，2023，46(4):11-18.

[6]徐秉漢，朱邦俊，歐陽(yáng)呂偉，等,現(xiàn)代潛艇構(gòu)造強(qiáng)度的理論與試驗(yàn)[M]北京:國(guó)防工業(yè)出版 社，2023.

[7]國(guó)家技術(shù)監(jiān)視局.GB150-1998鋼制壓力容器[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998.