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。

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。

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。

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。

蛋形耐压壳力学特性研究

深入研究了复合材料蛋形耐压壳的力学特性。首先建立蛋形耐压壳母线方程及解析法力学模型;在此基础上,推出极限强度载荷、屈曲临界载荷与厚度的定量关系式,以及厚度和浮力系数的求解方程,并研究了同比条件下球形耐压壳的力学特性。结果表明,蛋形耐压壳综合性能优于球形耐压壳,可最优协调强度稳定性、浮力系数、空间利用率、人机环特性以及水动力学特性,且对缺陷敏感性低,便于开孔、开窗,在深海潜水器上具有良好的应用前景。

基于正交试验的潜水器耐压壳体的结构优化设计

潜水器的质量大小直接影响其性能,设计时要求潜水器在满足强度、刚度等要求的前提下,要尽可能减小其质量。应用正交试验的方法来实现潜水器耐压壳体结构的优化,但用正交试验方法处理约束问题比较复杂。因此将以质量最小化为目标和以强度要求为约束条件的优化设计问题转化为无约束多目标的优化设计问题。得出各个参数对壳体的强度和质量的影响规律,最后运用综合平衡法得出最优的设计方案。

水下机器人耐压壳体结构优化

基于响应面法对水下机器人耐压壳体结构优化,以耐压壳体结构5个尺寸为优化变量,借助ANSYS求解结构应力响应数值,利用组合试验缩小优化变量范围后进行响应面试验设计,优化约束条件为耐压壳体强度和稳定性满足要求,目标函数为壳体质量最小,利用Design-Expert试验设计软件进行响应面优化求解,将结果与利用1st Opt数值计算软件得到优化数值对比,最终优化结果为耐压壳体质量降低15.52%,且壳体满足强度和稳定性要求,达到优化目的。

大型耐压壳环焊缝焊接残余应力实验研究

采用盲孔法对某大型耐压壳废弃壳圈环焊缝及两个模拟模型进行焊接残余应力测试，结果表明，焊接残余应力普遍较大，mises应力超过0．50σs的测点约占2／3左右，另有10％-20％的测点mises应力超过0．8σs，接近屈服极限．