基于ANSYS的迎流耐壓殼體強度與穩定性分析

方 勇，熊傳志

（中國船舶重工集團公司 第710研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

近年來隨著無人水下航行器（UUV）在商業和軍事領域的廣泛應用，常規水下航行器的潛航深度已經不能滿足航行任務的需要。未來水下航行器則朝著更遠、更時長、更深的方向發展，我國也適時提出了發展大深度水下航行器的相關策略［1］。隨著水下航行器潛航深度的增加，耐壓殼體的承壓能力及其穩定性問題也就越來越突出。

迎流耐壓殼體是水下航行器的重要承壓部分，必須對其進行強度和穩定性計算。通常情況下，設計人員根據有關原理和結構使用情況，使用傳統理論進行計算，這對于一般的不太復雜的中小型結構形式是可行的。但是，對于較為復雜的大型結構，傳統理論計算的準確性較低且較為繁瑣，有時甚至是不可行的，這時設計者需要使用一些大型的有限元軟件完成分析過程［2］。本文采用有限元分析軟件ANSYS，通過建立合理的有限元模型、加載、強度分析及穩定性分析，獲得迎流耐壓殼體的應力情況和失穩臨界載荷，為其結構設計提供重要的理論依據。1 迎流耐壓殼體有限元分析

1.1 有限元模型的建立及加載

通常，在有限元求解過程中最重要的環節是有限元模型的建立，一般包括幾何建模、定義實常數和材料屬性、定義單元類型、網格劃分、添加載荷與約束等。因迎流耐壓殼體形狀、結構較為復雜，一般有限元軟件所提供的幾何建模功能比較有限，難以方便快速地對其建模。因此，針對比較復雜的結構，采用三維輔助設計軟件如Pro/E建立幾何模型，然后通過輸入接口導入有限元分析軟件ANSYS中，采用ANSYS軟件完成分析過程［3］。

迎流耐壓殼體初始模型如圖1所示，殼體為加肋薄壁結構，殼體壁厚為13mm，肋間距為155mm，端蓋厚度為14mm。耐壓殼體選用防銹鋁（5A06）加工制造，密度為2 700kg/m3，屈服強度σs＝170MPa，彈性模量E＝68GPa，泊松比為0.3。

由于迎流耐壓殼體結構復雜，可對初始模型進行適當的簡化，如將殼體與端蓋視為一體；由于迎流耐壓殼體具有軸對稱特點，殼體受力也具有對稱性，為了減少計算量可以只建立1/4殼體模型，簡化后的模型如圖2所示。

圖1 迎流耐壓殼體初始模型

圖2 迎流耐壓殼體簡化模型

將迎流耐壓殼體模型導入ANSYS平臺，進行網格劃分，采用Solid186單元劃分為六面體網格，單元總數為26 219，節點數為73 030。

邊界條件的確定：在迎流耐壓殼體有限元計算模型中設置兩個位移約束，在兩個對稱面上加對稱約束，尾部法蘭端面加固定約束。

載荷施加：根據迎流耐壓殼體的實際工作水深，并考慮適當的安全系數，在耐壓殼體外表面施加3MPa的壓力。迎流耐壓殼體有限元模型如圖3所示。

1.2 迎流耐壓殼體的強度分析

當迎流耐壓殼體應力大于材料的許用應力時，其結構可能會發生不可修復性的破壞或者斷裂。本文中迎流耐壓殼體的應力計算采用第四強度理論von Mises等效應力計算方法。耐壓殼體上的任一點均存在3個相互垂直的主平面，其上3個方向的主應力分別為σ1、σ2、σ3。根據第四強度理論，塑性破壞主要由畸變能密度引起。變形后，變形固體存在變形能，變形能包括體積改變的變形能和形狀改變的變形能（畸變能）。單位體積畸變能稱為畸變能密度。在復雜應力情況下，若危險點的畸變能密度超過單向拉伸時材料的許可畸變能密度，則強度不足［4］。根據畸變能密度的計算公式導出強度條件為：

ANSYS軟件的結構靜力分析是用來計算固定不變載荷或近似為等價靜力隨時間變化的載荷作用下結構的響應，即由于穩態外載引起的系統或部件的位移、應力、應變等。迎流耐壓殼體整體等效應力云圖如圖4所示，變形云圖如圖5所示。

圖3 迎流耐壓殼體有限元模型

圖4 迎流耐壓殼體等效應力云圖

圖5 迎流耐壓殼體變形云圖

通過圖4可知：最大等效應力為647MPa，發生在前法蘭與殼體的連接處，超出材料的許用應力，此部位強度不足，其余部位強度滿足要求。針對前法蘭與殼體的連接處強度不足的情況，在設計中采用加強筋對該部分結構進行加強，實際加工的迎流耐壓殼體通過3MPa外壓試驗驗證，耐壓強度滿足要求。通過圖5可知，最大位移值為4mm，滿足設計要求。

1.3 迎流耐壓殼體的穩定性分析

針對穩定性分析ANSYS軟件提供了兩類分析方法：一類是利用結合Newton－Raphson迭代的弧長法來追蹤確定加載方向，追蹤失穩路徑的增量非線性分析方法能有效地分析失穩問題和非線性屈曲；另一類是通過特征值分析計算屈曲載荷，根據是否考慮非線性因素對屈曲載荷的影響將這類方法又細分為非線性屈曲分析和線性屈曲分析。本文只針對第二種方法中的線性屈曲分析進行討論，該方法通過提取線性系統剛度矩陣奇異的特征值來獲得結構的失穩模態及臨界失穩載荷［5］。

通過ANSYS軟件對迎流耐壓殼體進行特征值屈曲分析，最小特征值為λ＝5.152 7，屈曲載荷（失穩臨界載荷）為Pcr＝15.4MPa，而實際載荷為3MPa，故迎流耐壓殼體在外壓力作用下不會發生失穩情況，穩定性滿足設計要求。

2 結束語

運用Pro/E軟件建立了迎流耐壓殼體的三維模型，模型簡化后導入ANSYS軟件中進行了強度分析和穩定性分析，根據分析結果對設計進行了改進。本文迎流耐壓殼體已在某水下航行器中實際應用，經外壓試驗和湖試驗證，其耐壓強度及穩定性滿足設計要求，使用安全可靠。

［1］宋保維.藕節形耐壓殼體強度與穩定性有限元分析［J］.計算機仿真，2013，30（2）：38－41.

［2］張偉.帶肋圓柱殼結構的強度分析和過渡段設計研究［J］.安陽工學院學報，2008（2）：58－61.

［3］劉興龍.軌道車輛牽引拉桿有限元分析［J］.機械工程與自動化，2013（2）：60－61.

［4］范少博.火箭彈穩定裝置強度有限元分析［J］.機械，2012，39（5）：6－8.

［5］王燕.基于ANSYS的圓筒閥剛強度及屈曲分析與研究［J］.上海大中型電機，2010（3）：26－28.