深海環境下集體逃逸艙力學特性分析

張 偉，陳 猛，王 政

(河南科技大學 土木工程學院,河南 洛陽 471023)

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深海環境下集體逃逸艙力學特性分析

張 偉，陳 猛，王 政

(河南科技大學 土木工程學院,河南 洛陽 471023)

研究了集體逃逸艙耐壓結構在深海環境下的力學特性。以新型的變厚度逃逸艙為工程實例，通過有限元計算，分析得到了艙體各不同厚度處的位移、應力分布及其應力最大部位的分布等力學規律。分析結果表明：在靜水壓力下，艙體的位移以豎向為主，總位移相對較小，剛度滿足要求。艙體應力以豎向和切向應力為主，豎向應力以拉應力為主且應力值較大，而切向應力表現為壓應力。通過對應力分布規律的分析，所有應力均滿足安全要求。

集體逃逸艙；耐壓結構；靜水壓力；位移；應力

0 引言

集體逃逸艙是一種獨立的、自成一體的新型脫險裝置，應用于深海空間站、潛艇等水下結構，可有效地提高失事水下人員的自救能力，保證脫險過程中人員的安全性，優于過去的任何一種逃生系統[1]。

集體逃逸艙在中國的研究起步較晚，20世紀末才提出了一種通過過渡艙與潛艇對接的可釋放的逃逸艙。文獻[2]對薄壁球殼耐壓體進行了非線性屈曲分析，并對集體逃逸艙的總體結構形式進行了研究。文獻[3]通過應用強度穩定綜合理論的解析法對深海潛器耐壓圓柱殼極限強度進行了分析。文獻[4]對集體逃逸艙總體性能進行了研究。文獻[5]利用能量法來分析大型圓柱殼體結構的設計,為大型圓柱殼結構的設計提供了重要的參考依據。文獻[6]研究了深海載人潛水器耐壓球殼，采用接觸有限元分析的方法對深海載人耐壓球殼的接觸問題進行了分析。文獻[7-8]分析了帶肋圓柱殼結構有限元計算中其強度的影響，并對環肋圓柱殼結構的可靠性進行了計算。文獻[9]研究了藕節形切弧連接耐壓殼體的強度和穩定性，提出了三藕節切弧連接耐壓殼體非線性強度公式和穩定性公式。集體逃逸艙的結構形式是薄壁球殼結構，其主要承壓結構是開孔耐壓球殼。開孔的存在會產生應力集中,同時也削弱了耐壓球殼的極限承載能力[10],為保證開孔球殼的安全性,設計時需要進行強度和穩定性分析。然而，現階段耐壓結構的設計方法依然采用確定性的設計方法，很難將各種不確定性因素影響反映清楚。因此，需要對耐壓結構進行進一步可靠性分析，以確定其最危險的失效模式。

本文所研究的集體逃逸艙結構為薄壁耐壓球殼，該球殼的變形屬于大應變、大變形，考慮應用幾何非線性進行計算。本文采用ANSYS軟件，對集體逃逸艙在水下靜壓力作用下的結構強度進行了有限元分析，研究耐壓艙體在水下靜力作用下艙體各個部位的位移、正應力及其他應力的分布規律，驗證了其在水下靜壓力作用下能夠滿足安全要求。

1 逃逸艙耐壓殼體結構有限元模型建立

1.1 結構材料選取

集體逃逸艙的質量需要嚴格控制。通過高強度鋼和鈦合金兩種材料的對比分析表明：雖然鈦合金的密度比較小，但是鈦合金球殼比高強度鋼對缺陷更加敏感，從確保安全的角度考慮，選用高強度的980鋼作為逃逸艙的材料。980鋼：密度ρ=7.85 kg/m3，彈性模量E=2.110 5 MPa，屈服強度σs=785 MPa，泊松比μ=0.3。

1.2 結構模型建立

集體逃逸艙的有限元模型由逃逸艙主體和連接艙體組成，為了減小模型規模，提高計算效率，對結構強度影響較小的部位進行了簡化。在ANSYS有限元軟件中確立整體坐標系，X軸為徑向、Y軸為切向、Z軸為豎向。單元類型采用SHELL93單元，單元需要定義殼體厚度參數，該單元適合于曲殼模型，每個節點都具有6個自由度：沿節點坐標系X、Y、Z方向的平動和沿節點坐標系X、Y、Z軸的轉動，變形在兩個方向上都是二次的。集體逃逸艙的有限元模型如圖1所示。

將耐壓體模型的球形殼體和出入口圍欄用板單元進行離散，這種板單元具有大變形、塑性功能,能夠分析薄殼和中等厚度的殼體,約束了下部出入口圍欄的底部節點。出入口圍欄的底部與另外的臨時連接裝置連接,其載荷為均布載荷。經過網格收斂性檢查，薄殼處網格尺寸取50 mm×50 mm，其他位置采用30 mm×30 mm。

1.3 模型荷載施加

本文所研究的集體逃逸艙設計水深為1 000 m。靜水壓力為：

P′=ρgh=1.0 kg/m3×10 N/kg×1 000 m=10 MPa。

根據潛水器規范[11]的要求,計算載荷取對應于1.5倍最大工作深度的壓力。因此，文中計算耐壓艙體受到的均勻靜水壓力為:

P=P′×1.5=15 MPa 。

集體逃逸艙承受荷載如圖2所示。模型底端采用完全固支的方式進行約束。

圖1 集體逃逸艙有限元模型圖 圖2 集體逃逸艙承受載荷示意圖

2 耐壓殼體計算結果與分析

本文對集體逃逸艙在水下靜壓力作用下的結構強度進行了有限元計算，主要從位移、應力等方面分析其不同厚度處的變化規律。

2.1 耐壓殼體位移

集體逃逸艙在靜水壓力作用下，徑向、豎向和總位移沿高度的位移值如表1所示。

表1 耐壓殼體位移值

從表1可以看出：徑向位移值沿高度最大正值為2.10mm，在高度為1.20～1.40m和頂部時出現負值，這兩處均為圍壁。徑向位移最大正值為2.10mm，相對于耐壓艙體相應位置處的半徑為1.3%;最小值為-1.02mm，相對于耐壓艙體相應位置處的半徑為0.3%，其相對值均較小。豎向位移沿高度呈增加趨勢，在高度為0～1.00m、1.50～2.80m位移的變化較慢，這是由于此處艙體的厚度較大導致的；在艙體頂部位移達到最大，位移絕對值最大為20.00mm，占艙體高度的比例為0.6%，豎向位移相對值較小?？偽灰拼笮∨c豎向位移接近，且變化趨勢與豎向位移一致。數值模擬結果顯示：耐壓艙體的切向位移值基本為0，不考慮其影響，因此，艙體的剛度設計合理。

2.2 耐壓殼體正應力

集體逃逸倉在水下靜壓力作用下，徑向、切向、豎向3個方向沿高度的應力值如表2所示。

表2 耐壓殼體3個方向應力值

表2表明：在球殼豎向高度1.20～1.60m和2.80～3.06m部位應力值發生了突變，對比耐壓艙體的有限元模型圖，可知這些部位是圍壁的交界處、薄厚球殼交界處、圍壁與上圍殼交界處、上下圍殼交界處等位置，這是因為處于交界處或者殼體厚度變化處，在這些位置出現了應力集中的現象。耐壓結構的最大壓應力為847.20MPa，最大拉應力為737.43MPa。高強度鋼的抗拉抗壓強度設計為785MPa。雖然最大壓應力大于抗壓強度設計值，但是當引入應力因數來驗證時，應力因數=最大壓應力/抗壓強度設計值=1.08，小于規范[11]規定的因數(1.2)，因此耐壓殼體滿足強度要求。

2.3 耐壓殼體的第一、第三主應力和Mises應力

在靜水壓力作用下，耐壓殼體沿高度的第一主應力、第三主應力及Mises應力值如表3所示。

表3 耐壓艙體關鍵部位對應高度的第一主應力、第三主應力及Mises值

表3表明：在靜水壓力作用下耐壓艙體的第一主應力以拉應力為主，局部小范圍出現壓應力，其最大壓應力值較小。在豎向高度為2.60 m時，第一主拉應力值較大，出現應力集中，超過了材料的抗拉強度，這是由于建模時忽略了此處的細部構造導致的，實際耐壓艙體在采取一定的構造措施之后應力值會有所降低。在忽略了應力集中處的應力值后，最大主拉應力為604.62 MPa，出現的位置在2.60 m附近，小于高強度鋼的抗拉強度值(785 MPa)。

第三主應力在艙體底部應力值較大，呈現出較復雜的變化趨勢，且在高度為1.80～2.70 m處應力值接近為0。第三主應力最大值為840.20 MPa，表現為壓應力，此值大于高強度鋼的抗壓強度值(785 MPa)，這是由于施加的荷載為1.5倍實際荷載導致的。因此，不能直接用高強度鋼的抗壓強度進行校核，其應力因數為1.07，小于規范[11]規定的應力因數，說明抗壓艙體的抗壓強度符合規范[11]要求。

Mises應力值在艙體底部達到最大值，而后逐漸減小，大約在500 MPa附近波動。Mises應力值最大值為871.11 MPa，此應力值大于高強度鋼的屈服強度(785 MPa)，最大拉應力大于抗壓強度設計值，但這種現象主要是應力集中的影響，不能直接用高強度鋼的抗拉強度進行校核。通過計算應力因數可知：其值為1.08，小于規范[11]規定的因數(1.2)，因此耐壓殼體滿足強度要求,說明抗壓艙體的屈服強度符合規范[11]要求。

表3表明：耐壓艙體的強度雖然符合規范[11]要求，但是艙體底部的應力較大，超出了高強度鋼的屈服強度，因此須采取相應的構造措施來避免或削弱應力集中的影響，減小此處的應力值。

2.4 耐壓殼體強度模擬結果分析

集體逃逸艙作為典型的回轉體結構，由耐壓球殼和圓柱殼組成，工作時主要承受靜水壓力。針對此耐壓殼體荷載及結構的對稱性，文獻[1]提出了一種解析單元法計算其強度。對于圓柱殼和球殼這一類在同時承受邊界載荷和表面正壓力作用下的回轉殼，其邊界位移和內力關系的表達式的結果形式與由相對應的彈性基礎梁推導的結果是一致的。解析單元法是在回轉體上選擇夾角為dθ的兩個緯線剖面內的單元體進行受力分析，可得到回轉體平衡方程為：

其中：T、N、M分別為所選單元體上所受拉力、剪力和彎矩；ρ為球殼曲率；p為正壓力。

圖3 耐壓艙體沿豎向高度應力分布曲線

將數值模擬的Mises應力計算結果與解析單元法的計算結果比較，如圖3所示。

由圖3可見：模擬數據和解析單元法計算數值結果比較吻合，相對誤差低于10%。從趨勢來說解析單元法計算出的應力值較小，這主要是因為數值模擬中一些部位存在應力集中的現象。通過和解析單元法的對比，從理論上驗證了ANSYS數值模擬結果的正確性。

3 結論

(1)耐壓艙體的徑向和環向位移均較小，以豎向位移為主，豎向位移沿艙體高度呈增加趨勢，在艙體頂部達到最大值，最大值占艙體高度的比例較小，耐壓艙體的剛度設計合理。

(2)豎向和徑向的正壓力在艙體厚度變化處雖然出現了局部應力集中，但考慮到建模時對局部的簡化處理可以不予考慮，豎向和環向整體應力均小于高強度鋼的抗拉抗壓強度及規范規定的應力因數。切向應力在艙體底部的應力雖然略大于高強度鋼的抗壓強度，但小于規范[11]規定的應力因數?？箟号擉w的強度符合要求。

(3)抗壓艙體的第一、第三主應力及Mises應力值的變化規律較為復雜，第一主應力值相對于第三主應力值及Mises值較小。第三主應力值及Mises值在艙體底部達到最大值，應力值均略大于所用材料的屈服強度，但小于規范[11]規定的應力因數，抗壓艙體的強度設計符合要求。

(4)通過ANSYS模擬數據與解析單元法的結果對比可知：耐壓艙體沿豎向高度應力分布趨勢一致，從而驗證了數值模擬結果的正確性。

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國家自然科學基金項目(51208182)

張偉(1966-),男,河南汝州人,教授,博士后,碩士生導師,研究方向為結構強度和可靠性評估.

2015-01-04

1672-6871(2015)06-0026-04

U662.3

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