宛兴旺 朱赠友 周旭 王炜 方毕玮
摘 要:载人深潜器是探索海底资源、执行多种海底任务的必要设备,载人舱耐压球壳是深潜器关键部件,必须使用高比强、高韧性的材料以保证它具有足够的有效载重和良好的安全性。项目主要通过Patran/Nastran软件进行建模并受力分析。该文将对项目的工作过程及取得成果做一个简单的介绍,并且基于有限元的优化设计方案,利用Patran/Nastran 软件对深潜球壳受力过程分析得出合理的厚度半径比。
关键词:Patran/Nastran 深潜器 受力分析 耐压球壳
中图分类号:U674.941 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2014)09(a)-0212-02
深潜器具有水下观察和作业能力的活动深潜水装置,是人类进行深海工作研究的有力技术工具。而耐压壳是保证深潜器安全的关键部件,球壳是深潜器的理想承压结构,其应用也日益广泛。一直以来,越来越多的学者对球壳的承载能力进行了研究。
该文基于有限元的优化设计,提出了计算深潜器中厚耐压球壳的受力分析方案,通过模拟在10000 m水深的受力情况,对耐压球壳进行优化,用Patran/Nastran 软件对深潜球壳受力过程分析得出较为合适的耐压壳的厚度半径比。
1 建模与薄壳计算分析
有限元建模分析
(1)模型范围。
耐压球壳半径为1000 mm,厚度为60 mm至150 mm。
(2)结构模拟。
采用MSC.Nastran实体单元HEX8(8节点,每个节点3个自由度),取二分之一球体作分析,划分了1440个单元,共计3172个节点,边界条件z=0处,方向固定,结构受外压100MPa。
(3)单位及材料属性(表1)。
(4)边界条件。
由对称边界条件得,位于Z=0平面上的节点XYZ方向的位移固定。
(5)工况。
10000m深水下,深潜器球壳的直径可以近似忽略,当成质点来看,取整体受到压强为100 MPa。
2 利用Patran模型计算分析所得数据公式
根据Patran所建模型图所知:
2.1 屈曲分析(BUCKLING)(图1-图4)
(1)由图1-图4可知,理想状态下,半球壳失稳的临界应力因数如表2所示。
所绘制曲线图见图5。
(2)球壳可承受最大的屈曲应力计算公式为:
Max=Factor*Pressure(所给压力)
结论如表3。
所绘制曲线图见图6。
2.2 非线性静态分析(NON-LINEAR SATICT)(图7-图10)
由于边界条件限制和工艺实际情况,一般球壳均为两个半球相叠加,因此可取图中最大值为分析值,结论如表4所示。
所绘制曲線图见图11。
所拟合出的函数表达式如下。
3 结语
由分析结果可知,公式计算值不满足深潜器中厚耐压球壳模拟计算值,同一深度下,随着厚度半径比的增加,球壳所受最大压力值逐渐减少,且减缓速率越来越慢。由屈曲应力分析结果可知,材料的强度满足要求。但由材料的强度和非线性静态分析结果对比可知,中厚球壳仍无法满足10000m水深下潜要求。
由静态受力分析得出中厚球壳的计算公式为。
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