高模量碳纤维复合材料深海耐压壳体结构设计及试验

基于理论公式开展了千米级深海耐压复合材料等截面圆筒计算,在等截面圆筒设计壁厚的基础上,结合有限元仿真开展了轻量化环肋加筋耐压壳体结构优化设计以及千米级深海复合材料耐压壳体的结构稳定性和强度分析,最后通过静水压试验对所设计复合材料耐压壳体进行了考核验证。研究发现,对于环肋加筋复合材料耐压壳体,其失效模式为环向失稳破坏;增加环筋数和增厚蒙皮可以增加耐压壳体的承压能力,相比于增加蒙皮厚度,增加环肋数量对压强质量比的提升更为明显;复合材料铺层的纵向弹性模量对于耐压壳体的承压能力影响显著;由于复合材料生产过程中难以避免的初始缺陷,环肋加筋复合材料耐压壳体的爆破压强应在有限元解基础上进行修正,根据本文试验结果,修正系数建议取值范围为0.5~0.7。

无人潜器耐压壳体选型与承载特征规律研究

[目的]以无人潜器耐压结构轻量化设计技术为背景,以圆柱壳段为对象,开展典型材质耐压柱壳段承载特征规律研究。[方法]首先,根据耐压壳力学特性,分析得出5种典型材质耐压壳段的承载规律和最优临界承载设计值(同时发生应力强度失效和稳定性失效);然后,基于工程需求,进一步探讨不同潜深时各典型材质耐压壳段的承载特性。[结果]结果显示,随着潜深的增加,壳板的失效模式将由稳定性破坏逐渐转变为强度破坏,最优临界承载设计值与材料属性有关;考虑承载效率等因素,在进行圆柱形耐压壳体材料选型时,300 m潜深范围内应选用铝合金壳体,300~600 m潜深范围内宜选用钛合金和玻璃纤维复合材料壳体,600~1000 m潜深范围内建议选用钛合金和碳纤维复合材料壳体,1000~3000 m潜深范围内的最佳方案则选用碳纤维和硼纤维复合材料壳体。[结论]所做研究可为不同材质无人潜器耐压壳体材料选型提供依据。

CFRP缠绕周向内波纹耐压壳铺层优化设计

[目的]为顺应深海潜航器耐压壳结构轻量化、高强度的发展趋势,提出碳纤维复合材料(CFRP)缠绕铝合金周向内波纹耐压壳的结构增强方法,并对其CFRP铺层方式进行优化设计分析。[方法]利用ABAQUS有限元仿真软件,通过改变CFRP铺层参数,根据复合材料层的层间应力分布情况,探究14层CFRP铺层下最佳缠绕角度,进而获得最佳铺层方式。并结合相关强度失效准则,对其强度进行校核。[结果]研究结果表明:CFRP增强周向内波纹耐压壳最优缠绕角度为40°,在铺层方式为(±40°2/±55°2/±70°2/90°2)时,层间应力分布较为均匀。该结构的强度满足实际使用需求,且其质量更轻。[结论]该结构可减轻深海耐压壳整体质量,推动深海耐压壳设计向轻量化方向发展。

多耐压壳体结构振动传递控制技术研究

相对单耐压壳体,由于多耐压壳体通过舷间连接结构相互耦合,受激励耐压壳体向临近的舷间结构/舷间声介质、临近耐压壳体、轻外壳等主构件传递振动,总体上呈现多路径相互叠加的树形结构,传递路径复杂。采用数值方法,通过建立多耐压壳体有限元模型,基于多耐压壳体耦合特征,分析振动传递路径上基座、激励位置、舷间结构等相关参数对多耐压壳体声学特性影响,从传递路径上开展针对性的结构声学噪声控制技术研究。分析结果可为多体结构的工程设计和振动噪声控制提供有效参考。

环肋布局对钛合金圆柱耐压壳内爆过程的影响研究

环肋圆柱壳是深潜器耐压结构的主要形式,但由于极限承载能力和振动特性的需求,存在不同的环肋布局形式。为探究环肋布局对钛合金圆柱耐压壳内爆的影响,基于任意拉格朗日欧拉方法开展数值研究。首先对比试验结果验证液-固-气三相流固耦合数值模型的准确性。然后分析3种环肋布局下圆柱耐压壳水下内爆过程中的结构动态响应、冲击波传播以及能量演化等特征。结果表明,环肋均布时,内爆中心由筒体中部向一端移动。而中部和端部加强时,内爆中心由环肋稀疏位置向密集位置移动,结构动能均存在显著的二次波峰现象。此外,中部加强能有效降低最大冲击波峰值。通过对环肋圆柱壳内爆响应特性的分析,对深海耐压结构的设计具有重要的工程意义。

深海全通透耐压壳蠕变分析

有机玻璃(polymethyl methacrylate, PMMA)是一种透明高分子化合物,具有透明性好、耐腐蚀、重量轻、机械强度优异等优点,可作为全通透潜水器耐压壳体材料的候选材料。PMMA是一种黏弹性材料,当经受长时间的外界高压作用时,由PMMA制成的耐压结构可能发生蠕变,导致其承载能力下降。本文对PMMA耐压壳体进行了有限元分析,基于温度相关的时间硬化蠕变模型,获得了壳体的蠕变变形,并研究了不同类型无开孔和有开孔的耐压壳体的蠕变特性,分析了不同压力和温度下PMMA耐压壳体的应变-时间曲线和位移曲线。分析结果将为大深度载人潜水器全通透耐压舱的设计提供理论参考。

圆碟形水下滑翔机耐压壳体的优化设计

圆碟形水下滑翔机是一种新型的水下滑翔机,耐压壳体则是滑翔机的重要组件。本文主要研究在不同水深下机身直径、机身高度与机身表面饱和度对耐压壳体表面变形与压力分布情况的影响。通过有限元分析表明在100~300 m水深范围内应减小机身直径,从而降低机身的最大变形量和最大应力。随着机身高度的增加,最大变形量和最大应力的变化规律是先减后增,且随着工作水深的增加,这种趋势越发明显。对于不同机身表面饱和度的圆碟型水下滑翔机,其外壳的最大变形和最大应力分布规律并不统一,机身饱和度较低的圆碟形滑翔机的综合性能较优。本文分析结果可为圆碟形滑翔机在不同深度下的外形设计提供参考。

水下通信装置耐压壳体的机械结构设计仿真方法研究

本文创新性地提出耐压壳体机械结构参数化设计的通用方法。通过Ansys软件提供的APDL语言,完成机械结构的参数化自动仿真任务,有效缩减了工程师的机械设计周期。同时,针对耐压壳体基本的使用工况,本文基于力学理论分析方法,提出耐压壳体的通用结构设计方法和需要关注的关键设计指标。

连续开口耐压壳结构极限强度分析

以一观光潜艇圆柱壳为原型设计试验模型,在压力容器内进行模型的静水压试验,记录试验压力和相应测点的应变。试验得到的应力、变形,以及极限承载力与ABAQUS有限元分析的结果吻合良好。进而使用有限元方法计算原型潜艇耐压壳的极限强度,并与CCS规范和ABS规范的计算结果进行对比,结果表明,现有规范更适用于舷侧无连续大开口的常规潜艇;对于水下观光潜艇,使用试验和有限元相结合的方法来评估其极限强度正确可行。

国际标准《潜水器耐压壳体和浮力材料静水压力试验方法》(ISO 21173:2019)解读

ISO 21173:2019《潜水器耐压壳体和浮力材料静水压力试验方法》是ISO潜水器工作组内出版的第一项国际标准。本文介绍了该项标准的起草背景、编制原则及编制过程,对主要内容和技术考虑作了解读,并总结了该项标准的实施效益,以更好地指导潜水器耐压壳体和浮力材料开展静水压力试验,推动该项标准的贯彻落实和持续优化。

波纹截面环形耐压壳设计与分析

在圆截面环形耐压壳基础上,提出一种新型波纹截面环形耐压壳。通过耐压壳体极限强度非线性分析方法,研究波纹数对波纹截面环形耐压壳屈曲载荷的影响规律,优选出一种波纹截面环形耐压壳,并与圆环壳进行对比分析。结果表明,随着波纹数的增加,波纹截面环形耐压壳的屈曲载荷大幅度提高,当波纹数增加到12时,波纹截面环形耐压壳承载能力高达圆截面环形耐压壳的98%,但波纹结构的制造难度和成本大幅度降低。本文研究可为深海空间站的创新设计提供参考。

直线型测量臂测量潜艇耐压壳锥段的误差规律

针对一种新型直线型测量臂配合激光圆度分析仪进行潜艇耐压壳体锥段圆度测量时存在的偏差问题,分析偏差的来源,建立偏差修正过程中锥段拟合圆挠度中误差的数学模型,并利用仿真试验进行验证,进而分析直线型测量臂在耐压壳体锥段圆度测量的误差规律,通过模型测量试验验证锥段修正的误差规律。结果表明:测点经修正后可满足锥段拟合圆的精度要求;测量臂的比值越小,挠度中误差越小;测量臂与肋位平面的距离及锥段锥度对修正测点的挠度中误差影响较小。

非均匀采样潜艇耐压壳体测量数据处理方法

在役潜艇的建造和修理需要检测其耐压壳体的截面圆度,因现场条件限制或多设备融合测量,测量采样点经常呈现非均匀性,导致最小二乘圆拟合的结果与实际情况不符,研究旨在减小非均匀采样带来的影响,提高拟合圆的精度。基于非均匀采样定权提出一种非均匀采样加权总体最小二乘圆拟合方法,同时考虑观测向量和系数矩阵都有扰动,用于潜艇耐压壳体测量数据的处理。通过对4种不同预设形状的采样分析数值实验表明,该方法能提高非均匀采样情况下圆拟合的精度,但当随机误差加大至1.5 mm,该方法不能完全优于最小二乘法。非均匀采样加权总体最小二乘圆拟合法计算得到的圆心偏差及半径偏差都比最小二乘法的结果更小,具有较好的工程实用价值,可用于在役潜艇耐压壳体圆度测量非均匀采样时的圆拟合计算。

深海空间站耐压壳体用金属材料研发现状及发展趋势

介绍了国内外深海空间站的发展历程,以各海洋强国研发的可用于深海空间站耐压壳体的金属材料为例,对深海空间站耐压壳用金属材料的研发现状、研究中的技术问题进行了梳理,分析了未来技术发展趋势。

压壳约束对涡轮增压器模态及共振倾向的影响研究

在当前发动机高度集成化的背景下,如何有效避免排气系统与发动机点火频率之间的共振,以提升排气系统的模态,成为了一个极具挑战性的课题。为了解决某款涡轮增压发动机在集成了废气再循环(EGR)系统和颗粒捕集器(GPF)时所出现的排气系统模态降低的问题,本文重点研究了增压器压壳约束点布置方式对排气系统模态的影响。通过计算机辅助工程(CAE)仿真,对比了不同压壳支架布置对系统模态的影响,同时,通过试验验证了不同压壳支架布置方式对涡轮增压器轴心轨迹、振动特性以及发动机耐久性的影响。研究得出结论:在压壳设置约束点并不能完全解决排气系统模态降低的问题,且排气系统模态的降低并不会与发动机产生共振效应。

控制棒驱动机构耐压壳顶部螺母破拆修复工艺

在机组装换料大修期间,根据预防性维修大纲会对控制棒驱动机构顶部螺母进行拆装。经查阅历史检修记录可知,螺母与螺杆咬死现象发生率极高,咬死后维修人员手工破切螺母,无标准检修工艺约束,易导致因检修方式不当引起的驱动机构耐压壳损伤,机组无法运行的风险。根据历史检修经验反馈,专门设计了一套控制棒驱动机构顶部螺母破拆修复工艺。该工艺依托专用工装执行,以达到耐压壳主体结构不受破坏的前提下进行咬死螺母破切及螺杆螺纹修复工作。

大深度载人潜水器耐压壳结构研究现状及最新进展

大深度载人潜水器的耐压壳是保证潜水器中人员和设备安全的关键部件,它直接关系潜水器的重量指标和总体性能。论文综述了大深度载人潜水器的研究进展,重点介绍大深度载人潜水器耐压壳的结构形式、选用材料、强度和稳定性计算、制造工艺等方面的研究现状及最新进展。

深水耐压壳仿生设计与分析

文章研究了千米水深蛋壳仿生耐压壳的设计理论与分析方法,首先采用Upadhyaya方程、N-R方程,分别建立了鸡蛋壳、鹅蛋壳形状函数;其次,设计了6 km水深鸡蛋壳、鹅蛋壳仿生耐压壳,并基于解析法和数值法,对这两种结构进行强度和稳定性研究;最后,建立了球形、抛物线形、柱形、椭球形等4种典型耐压壳的数值模型,与仿生耐压壳作对比分析。结果表明:解析法和数值法所得的经向应力、纬向应力、临界屈曲应力吻合良好,鹅蛋壳仿生耐压壳的强度和稳定性优于鸡蛋壳仿生耐压壳,具有较好的耐压特性;球形耐压壳储备浮力能力最优,鹅蛋形、鸡蛋形、柱形、椭球形、抛物线形耐压壳的储备浮力能力分别是球的87%、82%、68%、67%、66%;从储备浮力、壳内空间利用率、流线型、乘员舒适性等方面综合比较可知,鹅蛋壳仿生耐压壳可为深水耐压壳设计提供有效参考。

深海球形耐压壳力学特性研究

研究了深海球形耐压壳计算方法。分别建立了球形耐压壳薄壳和厚壳的力学模型、浮力系数求解公式以及壳单元和体单元的数值模型。分析1-6km球形耐压壳强度、稳定性、储备浮力特性,并研究网格划分形式、单元类型、密度对数值计算结果的影响。研究结果表明,采用厚壳理论、体单元数值分析进行深海球形耐压壳设计与评估更为合理。在设计时,建议先根据内表面应力公式确定耐压壳厚度,再运用厚壳屈曲理论或数值分析校核其稳定性。

蛋形耐压壳设计与分析

基于蛋壳几何学特性,开展了蛋形耐压壳结构设计与性能分析。根据鹅蛋形状扫描、宏观尺寸统计试验,研究蛋壳圆度、体积、表面积及蛋形系数分布规律,建立体积方程、表面积方程及蛋形函数;设计了4 km水深蛋形耐压壳,并定量分析其安全性、储备浮力、空间利用率、水动力学特性等性能;采用正交试验,研究长轴、短轴、厚度对蛋形耐压壳性能影响规律。结果表明,鹅蛋壳为高度对称结构,其蛋形系数符合均值为0.69的正态分布;蛋形耐压壳具有良好的综合性能,其中厚度是影响强度的重要因素,长轴次之,短轴最小;长轴是影响屈曲的重要因素,厚度次之,短轴最小;厚度是影响浮力系数重要因素,短轴次之,长轴影响最小;长轴是影响空间利用率的重要因素,短轴次之,厚度影响最小;水动力学特性主要受短轴影响。