鈦合金深海耐壓艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

楊卓懿，龐永杰

(1.山東交通學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250000; 2.哈爾濱工程大學(xué)水下機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

鈦合金深海耐壓艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

楊卓懿1，龐永杰2

(1.山東交通學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250000; 2.哈爾濱工程大學(xué)水下機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

根據(jù)最小重量原則及耐壓艙的使用要求，結(jié)合規(guī)范和有限元方法設(shè)計(jì)工作潛深為2 000 m的鈦合金圓柱耐壓艙，并對(duì)帶有多個(gè)開孔的端部平蓋封頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核。針對(duì)圓柱艙建立參數(shù)化結(jié)構(gòu)有限元模型，并在Isight集成優(yōu)化環(huán)境下進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化并獲得最優(yōu)解。對(duì)耐壓艙進(jìn)行打壓試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的有效性，深海壓力艙滿足力學(xué)性能和重量要求。

耐壓艙;鈦合金;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);壓力試驗(yàn)

耐壓殼是深潛器重要的結(jié)構(gòu)，一旦耐壓殼出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破損，水密艙室漏水，將會(huì)引起電池短路、電子儀器設(shè)備故障甚至電控系統(tǒng)崩潰以致潛水器丟失的惡性事故。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最廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)是易于加工、便于艙內(nèi)設(shè)備布置。根據(jù)實(shí)際的使用要求，耐壓艙需要開一個(gè)或多個(gè)貫穿孔，其開孔主要集中在兩端的封頭上，通常用于設(shè)備電纜的貫穿，以提供能源及信息傳輸。根據(jù)潛水器的使用要求，考慮最小重量原則及內(nèi)部設(shè)備布置要求，基于規(guī)范［1］和有限元方法［2］設(shè)計(jì)工作潛深為2 000 m的深潛器耐壓艙。耐壓艙端部采用平蓋封頭的圓柱殼，并采用比強(qiáng)度高的鈦合金材料，在Isight［3］集成優(yōu)化環(huán)境下進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化并獲得最優(yōu)解。

1 耐壓艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

在我國現(xiàn)行的潛器入級(jí)與建造規(guī)范中耐壓殼強(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)算規(guī)范中的相關(guān)部分，規(guī)范中所提供的各種應(yīng)力和屈曲壓力計(jì)算公式是針對(duì)潛深在300 m左右的、采用600 MPa級(jí)的921材料的耐壓結(jié)構(gòu)［4］。大深度潛器耐壓殼所用材料、結(jié)構(gòu)形式較之一般潛艇結(jié)構(gòu)形式有著顯著的差別，因此對(duì)超出規(guī)范適用范圍的大深度潛器耐壓結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，不能完全照搬規(guī)范中的設(shè)計(jì)公式和圖表數(shù)據(jù)來完成其強(qiáng)度與穩(wěn)性計(jì)算。用有限元分析方法來模擬計(jì)算潛器耐壓結(jié)構(gòu)的破壞強(qiáng)度和破壞過程是耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中不可缺少的環(huán)節(jié)。文中基于非線性有限元方法，對(duì)承受2 000 m海水壓力的鈦合金耐壓殼的的強(qiáng)度及穩(wěn)定性進(jìn)行討論。

1．1 鈦合金的材料非線性分析

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，無磁性。因此，盡管存在焊接要求高，加工復(fù)雜，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首選材料。文中對(duì)鈦合金材料的耐壓殼結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析計(jì)算，其材料性能參數(shù)，以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)來自于文獻(xiàn)［5］。

根據(jù)材料的拉伸試驗(yàn)曲線σ=σ(ε)，用試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用最小二乘法擬合出多項(xiàng)式近似模型σ= a0+a1ε+a2ε2+a3ε3。根據(jù)E(σ)=dσ/dε求出E(σ)的表達(dá)式。根據(jù)鈦合金材料的試驗(yàn)曲線，分線彈性階段、非線性彈性階段、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的割線彈性模量Es和切線彈性模量Et數(shù)學(xué)表達(dá)式。

從拉伸曲線中選擇代表點(diǎn)在ANSYS中進(jìn)行設(shè)置，得到鈦合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線，見圖1，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。

圖1 鈦合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線(ANSYS)

1．2 鈦合金耐壓艙的結(jié)構(gòu)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，已不滿足薄殼理論的相關(guān)假設(shè)要求，因此采用實(shí)體建模，選實(shí)體單元Solid186對(duì)模型進(jìn)行網(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)行六自由度的完全約束。參照規(guī)范，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)表面應(yīng)力)σ2，肋骨應(yīng)力σ3。圖2為求解后的位移、應(yīng)變?cè)茍D，周向、軸向及肋骨的應(yīng)力云圖。根據(jù)艙內(nèi)設(shè)備布置情況確定內(nèi)徑R=155 mm，長度L=546 mm。給定圓柱形耐壓艙的結(jié)構(gòu)初值，取厚度t=12 mm，法蘭、肋骨尺寸=22 mm× 6 mm(截面高×寬)，肋骨間距為136 mm，初始重量值為34.6 kg。

由圖2可見，文中計(jì)算與文獻(xiàn)［6］中的理論分析是一致的，即在相鄰肋骨跨度的中點(diǎn)處出現(xiàn)了殼板周向的最大應(yīng)力，在肋骨與圓柱殼連接處出現(xiàn)了軸向最大應(yīng)力。

圖2 耐壓艙的有限元計(jì)算結(jié)果

1．3 耐壓艙的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

利用Isight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;以最小重量作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù);將規(guī)范中對(duì)于結(jié)構(gòu)應(yīng)力、屈服壓力的要求作為約束條件。優(yōu)化得到最優(yōu)結(jié)果見表1。經(jīng)優(yōu)化后，耐壓殼的厚度值t=10 mm，n=5，肋骨尺寸為20 mm×10 mm，重量值為32.9 kg。優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)相比，重量減少了4.91%，優(yōu)化后模型查卷參數(shù)見表1。

表1 優(yōu)化后模型相關(guān)參數(shù)

2 封頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

根據(jù)規(guī)范［7］選擇適用范圍為受外壓的無孔平蓋設(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:［σ］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=0.332 3 m;

K——結(jié)構(gòu)特征系數(shù)，與操作狀態(tài)及預(yù)緊狀態(tài)相關(guān)，根據(jù)規(guī)范取K=0．3。

則不開孔時(shí)，平蓋的厚度為

耐壓艙在實(shí)際使用過程中，需要開一個(gè)或多個(gè)圓孔，其開孔主要集中在兩端的封頭上，通常用于設(shè)備電纜的貫穿，以提供能源及信息傳輸。

根據(jù)規(guī)范規(guī)定平蓋開孔直徑之和d≤0．5Dc=0.166 15 m時(shí)，如果采用加厚平板代替補(bǔ)強(qiáng)，可將上式K用K/υ(υ為削弱系數(shù))代替。

考慮端蓋開孔數(shù)量最多時(shí)的計(jì)算情況，開孔直徑之和d=0.156 m＜0.5Dc。則削弱系數(shù)

則此時(shí)平蓋的厚度為

最終，平蓋厚度按52 mm設(shè)計(jì)，并保證每個(gè)艙蓋上的開孔直徑之和不大于160 mm。

為了進(jìn)一步研究平蓋封頭開孔大小、開孔分布對(duì)耐壓殼強(qiáng)度的影響，文中采用有限元方法對(duì)設(shè)計(jì)后的開孔封頭進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算。圖3是對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，受到30 MPa靜水壓力計(jì)算結(jié)果，Mises應(yīng)力為637 MPa，在內(nèi)部小孔邊緣處最大。圖4是在30 MPa靜水壓力下，平蓋的位移云圖，最大位移發(fā)生在中心，為0.7 mm。通過計(jì)算，可以得出以下設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于多個(gè)開孔的壓力艙封頭，滿足規(guī)范的條件下，開孔應(yīng)盡量遠(yuǎn)離位移中心，并均勻分布。

3 打壓試驗(yàn)

圖3 開孔平蓋的應(yīng)力云圖

圖4 開孔平蓋的位移云圖

深海耐壓儀器艙設(shè)計(jì)制造完成后，需要進(jìn)行壓力試驗(yàn)。該耐壓艙是用在深海，所以采用液壓試驗(yàn)，試驗(yàn)液體選用水在檢驗(yàn)其耐壓能力的同時(shí)也便于觀察水密性能。2014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)行了壓力試驗(yàn)，見圖5。根據(jù)規(guī)范，打壓試驗(yàn)壓力取1.25倍的工作壓力即25 MPa，保持3 h不泄壓，驗(yàn)證了耐壓艙滿足壓力與水密要求。

圖5 鈦合金壓力艙

4 結(jié)論

1)耐壓艙經(jīng)過耐壓試驗(yàn)滿足使用要求。

2)基于ANSYS的二次開發(fā)工具APDL建立了耐壓艙的參數(shù)化結(jié)構(gòu)有限元分析模型，并在Isight集成優(yōu)化環(huán)境下進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化并獲得最優(yōu)解，達(dá)到了水下結(jié)構(gòu)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)化工作提供前提。

3)通過壓力容器規(guī)范進(jìn)行平蓋設(shè)計(jì)，并通過有限元校核了帶有多個(gè)開孔的平蓋結(jié)構(gòu)。耐壓艙采用平蓋封頭，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說，高強(qiáng)度、低密度、耐腐蝕的鈦合金應(yīng)該是首選材料。

［1］中國船級(jí)社.潛水系統(tǒng)與潛水器入級(jí)與建造規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，1996.

［2］茍鵬，崔維成.多球交接耐壓殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題的研究［J］.船舶力學(xué)，2009.4，13(2):269-277.

［3］iSIGHT Reference Guide［M］.USA:Engineious Software，2004.

［4］劉濤.大深度潛水器結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)研究［D］.無錫:中國船舶科學(xué)研究中心，2001.

［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性有限元分析［J］.中國造船，2005，46(4): 11-18.

［6］徐秉漢，朱邦俊，歐陽呂偉，等.現(xiàn)代潛艇結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的理論與實(shí)驗(yàn)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2007.

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

Structure Design and Experimental Verification of Deep-sea Pressure Shell Made by Titanium Alloy

YANG Zhuo-yi1，PANG Yong-jie2
(1.College of Naval Architecture and Ocean Engineering，Shandong Jiaotong University，Jinan 250000，China; 2.Key Laboratory of Underwater Vehicle Technology，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China)

Based on the minimum weight principle and service conditions，cylinder shell made by titanium alloy is designed for 2 000 m diving depth using the criterion and finite element analysis.Flat cover with many openings is also designed and analyzed.The design variables are selected and the parameterization FE nodel of pressure shell is established.The optimal structure of pressure shell is attained by using Isight.The pressure experiment is carried out to validate that the proposed design method is suitable and the designed pressured shell can meet the requirements of mechanical performance and weight.

pressured shell;titanium alloy;structure design;pressure experiment

U661.4

A

1671-7953(2015)02-0064-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.017

2014-11-04

修回日期:2014-11-27

山東交通學(xué)院博士科研啟動(dòng)基金

楊卓懿(1983-)，女，博士，講師

研究方向:潛水器總體設(shè)計(jì)

E-mail:yangzhuoyi@hrbeu.edu.cn