基于ANSYS的迎流耐壓殼體強(qiáng)度與穩(wěn)定性分析

方 勇，熊傳志

（中國船舶重工集團(tuán)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(yè)和軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，常規(guī)水下航行器的潛航深度已經(jīng)不能滿足航行任務(wù)的需要。未來水下航行器則朝著更遠(yuǎn)、更時(shí)長、更深的方向發(fā)展，我國也適時(shí)提出了發(fā)展大深度水下航行器的相關(guān)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(wěn)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(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算。通常情況下，設(shè)計(jì)人員根據(jù)有關(guān)原理和結(jié)構(gòu)使用情況，使用傳統(tǒng)理論進(jìn)行計(jì)算，這對于一般的不太復(fù)雜的中小型結(jié)構(gòu)形式是可行的。但是，對于較為復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)理論計(jì)算的準(zhǔn)確性較低且較為繁瑣，有時(shí)甚至是不可行的，這時(shí)設(shè)計(jì)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(qiáng)度分析及穩(wěn)定性分析，獲得迎流耐壓殼體的應(yīng)力情況和失穩(wěn)臨界載荷，為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要的理論依據(jù)。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(huán)節(jié)是有限元模型的建立，一般包括幾何建模、定義實(shí)常數(shù)和材料屬性、定義單元類型、網(wǎng)格劃分、添加載荷與約束等。因迎流耐壓殼體形狀、結(jié)構(gòu)較為復(fù)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)，采用三維輔助設(shè)計(jì)軟件如Pro/E建立幾何模型，然后通過輸入接口導(dǎo)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(jié)構(gòu)，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(qiáng)度σs＝170MPa，彈性模量E＝68GPa，泊松比為0.3。

由于迎流耐壓殼體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可對初始模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，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(diǎn)，殼體受力也具有對稱性，為了減少計(jì)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(dǎo)入ANSYS平臺，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用Solid186單元劃分為六面體網(wǎng)格，單元總數(shù)為26 219，節(jié)點(diǎn)數(shù)為73 030。

邊界條件的確定：在迎流耐壓殼體有限元計(jì)算模型中設(shè)置兩個(gè)位移約束，在兩個(gè)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(jù)迎流耐壓殼體的實(shí)際工作水深，并考慮適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)，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(qiáng)度分析

當(dāng)迎流耐壓殼體應(yīng)力大于材料的許用應(yīng)力時(shí)，其結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生不可修復(fù)性的破壞或者斷裂。本文中迎流耐壓殼體的應(yīng)力計(jì)算采用第四強(qiáng)度理論von Mises等效應(yīng)力計(jì)算方法。耐壓殼體上的任一點(diǎn)均存在3個(gè)相互垂直的主平面，其上3個(gè)方向的主應(yīng)力分別為σ1、σ2、σ3。根據(jù)第四強(qiáng)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(fù)雜應(yīng)力情況下，若危險(xiǎn)點(diǎn)的畸變能密度超過單向拉伸時(shí)材料的許可畸變能密度，則強(qiáng)度不足［4］。根據(jù)畸變能密度的計(jì)算公式導(dǎo)出強(qiáng)度條件為：

ANSYS軟件的結(jié)構(gòu)靜力分析是用來計(jì)算固定不變載荷或近似為等價(jià)靜力隨時(shí)間變化的載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，即由于穩(wěn)態(tài)外載引起的系統(tǒng)或部件的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等。迎流耐壓殼體整體等效應(yīng)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(yīng)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(yīng)力為647MPa，發(fā)生在前法蘭與殼體的連接處，超出材料的許用應(yīng)力，此部位強(qiáng)度不足，其余部位強(qiáng)度滿足要求。針對前法蘭與殼體的連接處強(qiáng)度不足的情況，在設(shè)計(jì)中采用加強(qiáng)筋對該部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，實(shí)際加工的迎流耐壓殼體通過3MPa外壓試驗(yàn)驗(yàn)證，耐壓強(qiáng)度滿足要求。通過圖5可知，最大位移值為4mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

1.3 迎流耐壓殼體的穩(wěn)定性分析

針對穩(wěn)定性分析ANSYS軟件提供了兩類分析方法：一類是利用結(jié)合Newton－Raphson迭代的弧長法來追蹤確定加載方向，追蹤失穩(wěn)路徑的增量非線性分析方法能有效地分析失穩(wěn)問題和非線性屈曲；另一類是通過特征值分析計(jì)算屈曲載荷，根據(jù)是否考慮非線性因素對屈曲載荷的影響將這類方法又細(xì)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(jìn)行討論，該方法通過提取線性系統(tǒng)剛度矩陣奇異的特征值來獲得結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模態(tài)及臨界失穩(wěn)載荷［5］。

通過ANSYS軟件對迎流耐壓殼體進(jìn)行特征值屈曲分析，最小特征值為λ＝5.152 7，屈曲載荷（失穩(wěn)臨界載荷）為Pcr＝15.4MPa，而實(shí)際載荷為3MPa，故迎流耐壓殼體在外壓力作用下不會發(fā)生失穩(wěn)情況，穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。

2 結(jié)束語

運(yùn)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(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行了強(qiáng)度分析和穩(wěn)定性分析，根據(jù)分析結(jié)果對設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)。本文迎流耐壓殼體已在某水下航行器中實(shí)際應(yīng)用，經(jīng)外壓試驗(yàn)和湖試驗(yàn)證，其耐壓強(qiáng)度及穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求，使用安全可靠。

［1］宋保維.藕節(jié)形耐壓殼體強(qiáng)度與穩(wěn)定性有限元分析［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2013，30（2）：38－41.

［2］張偉.帶肋圓柱殼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析和過渡段設(shè)計(jì)研究［J］.安陽工學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（2）：58－61.

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

［4］范少博.火箭彈穩(wěn)定裝置強(qiáng)度有限元分析［J］.機(jī)械，2012，39（5）：6－8.

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