一種深海探測裝備耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和承壓性分析*

趙 龍，吳國俊，呂 沛

(1.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室海洋觀測與探測聯(lián)合實驗室，山東 青島 266237； 2.中國科學(xué)院 西安光學(xué)精密機械研究所，陜西 西安 710119)

0 引 言

隨著我國對深海資源的探索逐步深入，深海裝備的應(yīng)用研發(fā)也得到了廣泛發(fā)展。深海裝備的耐壓殼體結(jié)構(gòu)是解決裝備應(yīng)用于深海的關(guān)鍵技術(shù)之一，它是能夠為電子元器件、電源等儀器單元提供安裝空間的水密性殼體[1]。耐壓殼體的結(jié)構(gòu)形式一般分為：球殼型、錐殼型、圓柱殼型、球柱組合型、錐柱組合型等[2]。所有的耐壓結(jié)構(gòu)形式都由曲面薄殼結(jié)構(gòu)組成，因為曲面薄殼結(jié)構(gòu)在外部深水壓力的作用下能夠較好的把曲面上的載荷均勻的傳到每個微小面單元中，使之具有較高的強度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，這也是今后結(jié)構(gòu)設(shè)計者需要關(guān)注的重點方向。結(jié)合在深海探測裝備研發(fā)項目中遇到的實例問題就深海耐壓殼體的設(shè)計方法和強度、剛度的計算仿真進(jìn)行詳細(xì)探討。

1 深海探測裝備耐壓殼體設(shè)計

因該深海探測裝備是用于深海的觀測和探測，采用脈沖激光器作為主動照明光源，使用ICCD相機作為成像接收器，ICCD相機與激光器間需進(jìn)行高頻通訊，因此把水密性耐壓殼體設(shè)計成一體結(jié)構(gòu)。耐壓殼體包含兩個圓柱形艙體，兩圓柱艙體間通過中間的實體塊相連接，且由于電子元器件功能上的需要須使兩圓柱艙體間應(yīng)有盡量小的艙體間距。其三維模型及結(jié)構(gòu)詳圖如圖1、2所示。

圖1 三維模型示意圖

圖2 結(jié)構(gòu)詳圖 1.雙筒體外殼 2.O型密封圈I 3.前端蓋 4.光窗壓圈 5.玻璃光窗 6.O型密封圈II 7.橡膠墊圈 8.后端蓋 9.水密性接插件

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

(1) 雙圓柱艙體一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計 在深海中兩圓柱艙體間要進(jìn)行高頻信號的通訊，如果把通訊線從一個艙體內(nèi)通過穿窗件接到另一艙體內(nèi)，由于海水流動的影響，勢必造成對高頻信號的干擾，所以設(shè)計了雙圓柱艙體一體化結(jié)構(gòu)，通過中間的實體塊把兩圓柱艙體組合在一起，且在艙體內(nèi)尾部開有通孔，可解決兩圓柱艙體間的通訊問題。但這種設(shè)計增加了殼體的加工難度和成本。

(2) 殼體錐柱組合型設(shè)計 該深海探測裝備最大應(yīng)用水深在1 000 m，所以耐壓殼體應(yīng)具有一定的耐壓強度。通過衡量重量、體積和強度三者之間的關(guān)系，設(shè)計了雙圓柱形的筒體結(jié)構(gòu)，在減重的前提下最大程度的保證結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性。同時為了減少平面的受壓面積，在不影響鍍膜玻璃光窗和水密性接插件安裝使用的前提下，前后端蓋外輪廓均設(shè)計成錐面結(jié)構(gòu)，以增加其抗壓強度和剛度。

(3) 水密性結(jié)構(gòu)設(shè)計 為了便于電子元器件的安裝和調(diào)節(jié)，前后端蓋均設(shè)計成可拆卸部件，通過螺栓與圓柱形筒體連接。同時前端蓋還設(shè)有玻璃光窗等光學(xué)元件，這些都需要采用一定的方式進(jìn)行水密性的密封。該裝備在這幾處均使用了密封圈進(jìn)行端面的軸向密封，利用密封圈在螺栓預(yù)緊力的作用下在溝槽內(nèi)產(chǎn)生的約20%彈性變形能夠與各接觸面產(chǎn)生較緊實的接觸壓力，從而實現(xiàn)水密性密封。同時在尾部，為了便于筒內(nèi)與筒外的通訊和電纜連接，使用美國Subconn公司生產(chǎn)的帶有端面組合墊片形式的水密性接插件進(jìn)行密封連接。

1.2 材料的選擇分析

深海探測裝備耐壓殼體的材料，一般選用具有高比強度、高比剛度的金屬材料或非金屬材料。如高強度鋁合金、高強度船用碳鋼、鈦合金及碳纖維復(fù)合材料等[3]。下面將幾種典型使用的金屬材料根據(jù)其物理特性和力學(xué)特性進(jìn)行對比，如表1所示。

表1 20 ℃材料物理特性和力學(xué)特性

從力學(xué)特性上分析，耐壓殼體材料的失效分為強度失效和剛度失效兩種。耐壓殼體在深水下其材質(zhì)主要會有以下兩種變形：①彈性變形；②塑性變形。所謂彈性變形，是在外載荷作用下，殼體材料發(fā)生彈性變形，外載荷取消時，殼體材料能夠恢復(fù)原來的形狀，此時材料的最大應(yīng)力強度應(yīng)小于材料的屈服強度；所謂塑性變形，是在外載荷作用下，殼體材料發(fā)生塑性變形，外載荷壓力取消時，殼體材料不能恢復(fù)原來的形狀，此時材料的最大應(yīng)力強度大于屈服強度而小于拉伸斷裂強度。塑性變形可造成的結(jié)果有：①筒體結(jié)構(gòu)在循環(huán)載荷下因疲勞而被壓裂或壓爆；②筒體結(jié)構(gòu)在發(fā)生塑性變形時會對內(nèi)部電子元器件造成損壞；③筒體或前后端蓋的永久性變形會造成前后端蓋的開啟不便等。因此耐壓殼體材料根據(jù)力學(xué)特性的選擇應(yīng)以屈服強度為準(zhǔn)，即以是否發(fā)生塑性變形來判斷耐壓殼體的承壓強度的標(biāo)準(zhǔn)。同時結(jié)合彈性模量和密度綜合衡量剛度和質(zhì)量，選取適合的殼體材料[4]。

在實際應(yīng)用中由于在殼體板厚方向上存在著材質(zhì)的不均勻性以及機加工存在著誤差，都可造成材料的本體缺陷，在較大曲率的筒狀結(jié)構(gòu)下，為了避免應(yīng)力在這些缺陷處存在較大的應(yīng)力集中而產(chǎn)生意外的失效，在設(shè)計過程中要求耐壓殼體的厚度一般不小于4 mm。表2是不同材料在滿足設(shè)計要求的條件下經(jīng)濟成本因素的綜合分析。

表2 不同材料的質(zhì)量及成本分析

通過上表可得出，鋁合金6061具有最優(yōu)的經(jīng)濟成本價格，且鋁合金6061還具有易加工制造，較廣泛的型材選擇，制造成本低等優(yōu)點，因此綜合比較，選擇鋁合金6061作為深海探測裝備耐壓殼體的材料。

1.3 材料的防腐處理

不銹鋼和鈦合金本身都具有一定的抗腐蝕能力，但鋁合金6061抗腐蝕能力較差。一般對于鋁合金6061的防腐處理是將其表面陽極氧化處理，利用電解作用在其表面形成一薄層耐腐蝕的Al2O3膜，其厚度可達(dá)到3～15 μm，以提高鋁合金6061的抗腐蝕能力。但這種Al2O3膜從微觀上是一種多孔結(jié)構(gòu)，長期浸泡在海水中會逐步使鋁合金6061腐蝕。因此在該耐壓殼體防腐上的做法是，在表面電解生成Al2O3膜之后，再進(jìn)行整體噴塑或噴漆處理，利用Al2O3膜這種多孔結(jié)構(gòu)的強吸附能力，把疏水性染料噴涂在Al2O3膜表面，填補了多孔結(jié)構(gòu)中的孔槽，極大的提高了鋁合金6061殼體的抗腐蝕能力，同時還增加了其美觀性。

2 耐壓殼體的承壓性分析及仿真

如前所述，耐壓殼體的外形一般采用球型、柱型、錐型等規(guī)則的曲面薄殼結(jié)構(gòu)，一方面這些曲面薄殼結(jié)構(gòu)具有較高的承壓能力，另一方面規(guī)則的曲面加工起來也相對比較容易。但有時實際情況并不能把耐壓殼體設(shè)計成這種規(guī)則的曲面薄殼結(jié)構(gòu)，如設(shè)計的深海探測裝備中的雙圓柱艙體一體化結(jié)構(gòu)，它是由兩個圓柱形的薄殼結(jié)構(gòu)和中間的實體塊組合而成，即不能僅用曲面薄殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析也不能全部用實體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單的整體仿真。但是曲面薄殼結(jié)構(gòu)屈曲仍是結(jié)構(gòu)失效的主要因素，下面將結(jié)合對曲面薄殼結(jié)構(gòu)的理論分析和曲面、實體的組合單元有限元仿真分別進(jìn)行分析。

2.1 曲面薄殼結(jié)構(gòu)的理論分析

當(dāng)前多數(shù)耐壓殼體結(jié)構(gòu)的設(shè)計和計算基本采用規(guī)范推導(dǎo)、有限元理論分析和試驗等方式進(jìn)行。規(guī)范推導(dǎo)適用于簡單的規(guī)則球殼、柱殼等曲面結(jié)構(gòu)，但對于殼體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的非規(guī)則曲面則采用有限元理論來分析，或者通過加壓試驗來確定。耐壓殼體結(jié)構(gòu)的研究主要圍繞薄殼結(jié)構(gòu)，以現(xiàn)今趨向于采用的基于Mindlin假設(shè)的曲殼單元為主，它可以很好的反映彎曲問題[5]。

(1) 根據(jù)薄殼理論和固體力學(xué)分析可得圓柱薄殼幾何方程[5]

式中：R1為曲面半徑；u、v和w為殼內(nèi)位移分量；εz和ε?為長度和周向應(yīng)變量；γz?表示z向與周向剪切應(yīng)變量；kz和k?分別為曲率變形分量；τ表示z向與周向扭轉(zhuǎn)變形量。

(2) 圓柱薄殼物理方程[6]

Mz=d(kz+vk?)

M?=d(k?+vkz)

Mz?=M?z=d(1-v)τ

式中:Tz和T?表示z向和周向正應(yīng)力；Tz?為z向與周向剪應(yīng)力；Mz和M?表示z向和周向彎矩；Mz?表示z向與周向扭矩。

由上面的幾何方程和物理方程可知，單元節(jié)點的應(yīng)力和應(yīng)變皆為未知量。通過利用虛功原理，建立以初始狀態(tài)的物理量和現(xiàn)實狀態(tài)上的虛位移量，構(gòu)建Lagrange的平衡方程，即可求得單元節(jié)點位移矩陣，然后利用有限元法借助Matlab等計算軟件可進(jìn)行曲面結(jié)構(gòu)的非線性分析計算。

2.2 曲面與實體單元組合有限元仿真

雖然借助于Matlab等計算軟件可以通過建模的方式進(jìn)行理論上的分析計算，但是相對于較復(fù)雜的幾何模型，建模比較困難，且單元節(jié)點數(shù)量也較多，計算耗時和工作量非常巨大。通過借助大型通用有限元分析軟件Ansys可很好的解決這一問題。Ansys Workbench是Ansys公司推出的一款協(xié)同仿真平臺，它可以對外部三維模型進(jìn)行讀入，并行仿真，參數(shù)化雙向傳輸，利用內(nèi)置的前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊對不同的單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性和非線性的仿真分析。下面將兩圓柱一體化筒體結(jié)構(gòu)用有限元分析軟件進(jìn)行仿真計算。

(1) 曲面、實體組合單元建模

通過利用其他三維建模軟件把耐壓殼體建成以曲面和實體相組合的三維模型并導(dǎo)入到Ansys Workbench有限元分析軟件中。其中，曲面單元采用shell181單元，它適用于薄到具有一定厚度的殼體結(jié)構(gòu)，是一個4結(jié)點單元，每個結(jié)點具有6個自由度，適用于線性的，大轉(zhuǎn)動變形和非線性的結(jié)構(gòu)分析。實體單元則采用solid95單元，它由20個結(jié)點定義，每個結(jié)點具有3個自由度，適用于分析具有塑性變形、蠕變和大變形等結(jié)構(gòu)。圖3、4分別為Ansys Workbench軟件中組合單元模型和網(wǎng)格化后的模型，單元類型已通過“Command”命令利用APDL語言進(jìn)行更改，材質(zhì)通過軟件中的工程數(shù)據(jù)庫也已更改為Aluminium Alloy。

圖3 組合單元三維模型圖4 網(wǎng)格化模型

(2) 加載和邊界條件

DNV規(guī)范中對于非載人深潛器安全系數(shù)約定為1.15，國標(biāo)《GB150-1998鋼制壓力容器》中規(guī)定液壓外壓容器試驗壓力安全系數(shù)為1.25[7]，考慮到材質(zhì)為鋁合金，因此設(shè)計的耐壓殼體總安全系數(shù)為1.5，即用于1 000 m水深的耐壓殼體設(shè)計外壓載荷為15 MPa，兩端的錐形端蓋通過計算錐面壓力可轉(zhuǎn)化為圓柱形筒體兩端面法蘭所受到的力為742 kN。圖5為所施加的載荷及邊界條件。

(3) 仿真結(jié)果分析

雙圓柱艙體一體化結(jié)構(gòu)由于是曲面和實體相組合的一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式，因此從理論上分析，曲面與實體相交接處是曲面發(fā)生變截面的關(guān)鍵點，因此該處應(yīng)會產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中。但只要該處的應(yīng)力值超過許用應(yīng)力值240 MPa的區(qū)域為點或線，則應(yīng)力集中可忽略不計。從圖6中可看出仿真后結(jié)果超過240 MPa的應(yīng)力值范圍，其分布處于上述分析中的交接處，且超出應(yīng)力區(qū)域為點或線。因此該耐壓殼體結(jié)構(gòu)的強度是符合設(shè)計載荷要求的。

圖5 載荷和邊界條件 圖6 >240 MPa的應(yīng) 力云圖

圖7、8分別是組合模型中曲面結(jié)構(gòu)和實體結(jié)構(gòu)的仿真應(yīng)力云圖和撓度云圖。

圖7 曲面結(jié)構(gòu)應(yīng)力和撓度云圖

圖8 實體結(jié)構(gòu)應(yīng)力和撓度云圖

由于深海探測裝備耐壓殼體的結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中考慮到裝備的應(yīng)用要求和電子元器件的安裝要求等，因此設(shè)計出的結(jié)構(gòu)往往不是簡單的、規(guī)則的球、柱和錐等形狀。借助于ANSYS有限元分析軟件可建立不同單元類型的仿真結(jié)構(gòu)模型，可很好的對薄殼結(jié)構(gòu)和實體結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合仿真分析，使結(jié)果更加可靠和準(zhǔn)確。

3 結(jié) 語

深海探測裝備耐壓殼體在設(shè)計過程中需綜合分析各項設(shè)計指標(biāo)，包括功能性要求、經(jīng)濟成本、運輸便攜、水密性、材料的選擇和強度等。結(jié)合實際工作中設(shè)計的深海探測裝備耐壓殼體，就設(shè)計過程中考慮到的和遇到的技術(shù)問題在文中進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并把材料的選擇和強度的計算與仿真作為重點進(jìn)行了詳細(xì)分析，并得出了理論上較為可靠的設(shè)計結(jié)果，且在實際應(yīng)用中也得到了很好的驗證。

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