深海中厚球殼受力分析及設計

宛興旺 朱贈友 周旭 王煒 方畢瑋

摘 要：載人深潛器是探索海底資源、執行多種海底任務的必要設備，載人艙耐壓球殼是深潛器關鍵部件，必須使用高比強、高韌性的材料以保證它具有足夠的有效載重和良好的安全性。項目主要通過Patran/Nastran軟件進行建模并受力分析。該文將對項目的工作過程及取得成果做一個簡單的介紹，并且基于有限元的優化設計方案，利用Patran/Nastran 軟件對深潛球殼受力過程分析得出合理的厚度半徑比。

關鍵詞：Patran/Nastran 深潛器 受力分析 耐壓球殼

中圖分類號：U674.941 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（a）-0212-02

深潛器具有水下觀察和作業能力的活動深潛水裝置，是人類進行深海工作研究的有力技術工具。而耐壓殼是保證深潛器安全的關鍵部件，球殼是深潛器的理想承壓結構，其應用也日益廣泛。一直以來，越來越多的學者對球殼的承載能力進行了研究。

該文基于有限元的優化設計，提出了計算深潛器中厚耐壓球殼的受力分析方案，通過模擬在10000 m水深的受力情況，對耐壓球殼進行優化，用Patran/Nastran 軟件對深潛球殼受力過程分析得出較為合適的耐壓殼的厚度半徑比。

1 建模與薄殼計算分析

有限元建模分析

（1）模型范圍。

耐壓球殼半徑為1000 mm，厚度為60 mm至150 mm。

（2）結構模擬。

采用MSC.Nastran實體單元HEX8（8節點，每個節點3個自由度），取二分之一球體作分析，劃分了1440個單元，共計3172個節點，邊界條件z=0處，方向固定，結構受外壓100MPa。

（3）單位及材料屬性（表1）。

（4）邊界條件。

由對稱邊界條件得，位于Z=0平面上的節點XYZ方向的位移固定。

（5）工況。

10000m深水下，深潛器球殼的直徑可以近似忽略，當成質點來看，取整體受到壓強為100 MPa。

2 利用Patran模型計算分析所得數據公式

根據Patran所建模型圖所知：

2.1 屈曲分析（BUCKLING）（圖1-圖4）

（1）由圖1-圖4可知，理想狀態下，半球殼失穩的臨界應力因數如表2所示。

所繪制曲線圖見圖5。

（2）球殼可承受最大的屈曲應力計算公式為：

Max=Factor*Pressure（所給壓力）

結論如表3。

所繪制曲線圖見圖6。

2.2 非線性靜態分析（NON-LINEAR SATICT）（圖7-圖10）

由于邊界條件限制和工藝實際情況，一般球殼均為兩個半球相疊加，因此可取圖中最大值為分析值，結論如表4所示。

所繪制曲線圖見圖11。

所擬合出的函數表達式如下。

3 結語

由分析結果可知，公式計算值不滿足深潛器中厚耐壓球殼模擬計算值，同一深度下，隨著厚度半徑比的增加，球殼所受最大壓力值逐漸減少，且減緩速率越來越慢。由屈曲應力分析結果可知，材料的強度滿足要求。但由材料的強度和非線性靜態分析結果對比可知，中厚球殼仍無法滿足10000m水深下潛要求。

由靜態受力分析得出中厚球殼的計算公式為。

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