海洋探測儀耐壓殼體結構強度特性分析

余大華 王偉奇

(湖北三峽職業技術學院，湖北 宜昌 443000)

1 海洋探測儀概述

海洋探測儀(海洋探測設備、水下探測器)主要用于海洋環境的觀察和勘測，對海洋相關的數據和資料進行收集，最為關鍵的是對海洋一定的深度進行實時地監測和探視，因此，對海洋探測儀的殼體承受能力提出了很高的要求。

為了保證海洋探測儀能夠在海洋環境下完成各種數據收集和探測任務，那么就應該保證耐壓殼體具備一定的承受和抗壓能力，根據材料的特性和環境要求，耐壓殼體的制造通過以內部增加輕金屬內膽，在外表面增加纖維。纖維可以承受任意的荷載，在實際設計過程中，應該將纖維根據90°的方向纏繞殼體表面多層，再按軸向纏繞若干層，形成單向板復合材料，這樣可以有效地提升殼體的強度和承載能力。

2 海洋探測儀殼體設計

2.1 設計要求和材料選擇

海洋探測儀主要用于1600m以下的深水環境探測，要求外徑不能超過150mm，內膽尺寸不能小于Φ140mm×320mm，主要用于放置探測設備，設計出來的探測設備需滿足輕巧化的要求。要充分考慮材料以及結構強度輕量化的要求，可以采用鋁合金材質，其材質的重量只占據鋼的50%左右，而強度卻高達872MPa，可以作為殼體材料設計的首選，其物理特性參數如表1所示：

表1 鈦合金物理參數

2.2 模型選擇

通過經驗力學特征對耐壓殼體結構進行研究，最開始都將降模型行為連續結構，其是由封頭、筒壁連接或拆卸。同時，要加強對設備內部進行維護和檢修，其中封有的結構形式對耐壓殼體的強度和穩定性會產生直接的影響。所以，分析耐壓殼體力學特征時，應該對封頭和筒壁的連接方式引起足夠的重視，這樣殼體強度才有所保障。此外，根據實踐研究得知，球狀的耐壓殼體力學性能與其它結構相比，優勢更加明顯。可以考慮采用半球殼結構，不利用筒壁和封頭連接的形式，這樣有利于提升整個海洋探測儀設備的耐壓殼強度和穩定性。

3 關于海洋探測儀耐壓殼體強度分析結果

3.1 耐壓殼體強度分析

如果海洋探測設備放置在深度為1500m以上的水下環境，為了滿足其結構的穩定性和強度要求，材料應該選擇屈服更加高強度的鋁合金材料。經過計算，本文所提到的耐壓殼體的屈曲模態如圖1所示，引入缺陷后，其工作荷載為15MPa，應力響應如圖2所示。

圖1 耐壓殼體一階屈曲

圖2 耐壓殼體失穩破壞

其次，通過將荷載比例系數進行適當地調整和改變，充分考慮耐壓殼體的載荷系數和應力之間的關系。可以看出，載荷比例系數的增加，也會對耐壓殼體的應力響應形成一定程度的影響，并呈現出準線性上升趨勢。如果耐壓殼體設計安全系數為2，最大比例系數為2.2，而耐壓殼體的失穩壓力為33MPa，當耐壓殼體承受極限荷載時，不考慮失穩，計算殼體的極限強度，最大應力為415.6MPa，安全系數高于2，得出耐壓殼體主要破壞形式為失穩。

3.2 極限強度分析

由表2(耐壓殼體臨界失穩壓力表)可以看出，不同工況下耐壓殼體的臨界失穩壓力在明顯減小時，表現出重合度過小，也會直接對結構的穩定性，形成不利的影響。當失穩壓力比耐壓殼體有所增加時，重合度也會隨之增大，耐壓殼體封頭和筒壁的法蘭與外環加強筋的效果是一致的，促使結構穩定性也有明顯提升。

表2 耐壓殼體臨界失穩壓力

4 結語

總之，根據上文對海洋探測儀耐壓殼體強度的詳細研究，通過有限元分析法得出經典的耐壓殼體結構，采用耐壓殼體和筒壁連接的方式，得出耐壓殼體結構的破壞形式與封頭和筒壁的重合度有關聯。重合度越小，耐壓殼體的穩定性越差，破壞形式為失穩破壞，只有不斷地增加重合度，才能更好地保障耐壓殼體的穩定性和強度，從而提升海洋探測儀設備的安全應用系數。