鈦合金深海耐壓艙結構設計

楊卓懿，龐永杰

(1.山東交通學院船舶與海洋工程學院，山東 濟南 250000; 2.哈爾濱工程大學水下機器人技術重點實驗室，哈爾濱 150001)

鈦合金深海耐壓艙結構設計

楊卓懿1，龐永杰2

(1.山東交通學院船舶與海洋工程學院，山東 濟南 250000; 2.哈爾濱工程大學水下機器人技術重點實驗室，哈爾濱 150001)

根據最小重量原則及耐壓艙的使用要求，結合規范和有限元方法設計工作潛深為2 000 m的鈦合金圓柱耐壓艙，并對帶有多個開孔的端部平蓋封頭進行結構設計與校核。針對圓柱艙建立參數化結構有限元模型，并在Isight集成優化環境下進行結構優化并獲得最優解。對耐壓艙進行打壓試驗，驗證了設計方法的有效性，深海壓力艙滿足力學性能和重量要求。

耐壓艙;鈦合金;結構設計;壓力試驗

耐壓殼是深潛器重要的結構，一旦耐壓殼出現結構破損，水密艙室漏水，將會引起電池短路、電子儀器設備故障甚至電控系統崩潰以致潛水器丟失的惡性事故。因此，設計出具有足夠的強度穩定性和盡可能輕重量的耐壓殼是深海潛器設計的重要任務。在多種用途的潛水器中，環肋圓柱形耐壓艙有著最廣泛的應用，其優點是易于加工、便于艙內設備布置。根據實際的使用要求，耐壓艙需要開一個或多個貫穿孔，其開孔主要集中在兩端的封頭上，通常用于設備電纜的貫穿，以提供能源及信息傳輸。根據潛水器的使用要求，考慮最小重量原則及內部設備布置要求，基于規范［1］和有限元方法［2］設計工作潛深為2 000 m的深潛器耐壓艙。耐壓艙端部采用平蓋封頭的圓柱殼，并采用比強度高的鈦合金材料，在Isight［3］集成優化環境下進行結構優化并獲得最優解。

1 耐壓艙的結構設計方法

在我國現行的潛器入級與建造規范中耐壓殼強度和穩性計算及其校核標準沿用了潛艇設計計算規范中的相關部分，規范中所提供的各種應力和屈曲壓力計算公式是針對潛深在300 m左右的、采用600 MPa級的921材料的耐壓結構［4］。大深度潛器耐壓殼所用材料、結構形式較之一般潛艇結構形式有著顯著的差別，因此對超出規范適用范圍的大深度潛器耐壓結構的設計，不能完全照搬規范中的設計公式和圖表數據來完成其強度與穩性計算。用有限元分析方法來模擬計算潛器耐壓結構的破壞強度和破壞過程是耐壓結構設計過程中不可缺少的環節。文中基于非線性有限元方法，對承受2 000 m海水壓力的鈦合金耐壓殼的的強度及穩定性進行討論。

1．1 鈦合金的材料非線性分析

耐壓殼選用鈦合金材料的優點是質輕(密度約為鋼的60%)，高強(屈服極限可達800 MPa以上)，耐海水腐蝕，無磁性。因此，盡管存在焊接要求高，加工復雜，價格較高等缺點，鈦合金材料仍可作為深潛器耐壓殼的首選材料。文中對鈦合金材料的耐壓殼結構性能進行分析計算，其材料性能參數，以及試驗數據來自于文獻［5］。

根據材料的拉伸試驗曲線σ=σ(ε)，用試驗數據應用最小二乘法擬合出多項式近似模型σ= a0+a1ε+a2ε2+a3ε3。根據E(σ)=dσ/dε求出E(σ)的表達式。根據鈦合金材料的試驗曲線，分線彈性階段、非線性彈性階段、屈服到極限階段，得到應力σ與應變ε的近似關系式。式中各系數值如下。

由以上公式得到鈦合金材料曲線的割線彈性模量Es和切線彈性模量Et數學表達式。

從拉伸曲線中選擇代表點在ANSYS中進行設置，得到鈦合金應力-應變曲線，見圖1，自動得出彈性模量。鈦合金的材料參數如下:彈性模量E為124.3 GPa，泊松比為0.35，比例極限為640 MPa，屈服極限800 MPa，拉伸極限875.2 MPa，密度為4 850 kg/m3。

圖1 鈦合金應力-應變曲線(ANSYS)

1．2 鈦合金耐壓艙的結構有限元分析

對深潛器而言，下潛深度大、所承受壓力大，導致所需耐壓殼的厚徑比較大，已不滿足薄殼理論的相關假設要求，因此采用實體建模，選實體單元Solid186對模型進行網格劃分。在實際使用時，耐壓殼兩端與封頭連接形成水密艙，因此在對有限元模型設置約束條件時，對圓柱殼端部進行六自由度的完全約束。參照規范，在計算結果中分別提取相鄰肋骨中點處殼板的周向應力σ1，肋骨處殼板的軸向應力(支座邊界處殼板橫剖面上的內表面應力)σ2，肋骨應力σ3。圖2為求解后的位移、應變云圖，周向、軸向及肋骨的應力云圖。根據艙內設備布置情況確定內徑R=155 mm，長度L=546 mm。給定圓柱形耐壓艙的結構初值，取厚度t=12 mm，法蘭、肋骨尺寸=22 mm× 6 mm(截面高×寬)，肋骨間距為136 mm，初始重量值為34.6 kg。

由圖2可見，文中計算與文獻［6］中的理論分析是一致的，即在相鄰肋骨跨度的中點處出現了殼板周向的最大應力，在肋骨與圓柱殼連接處出現了軸向最大應力。

圖2 耐壓艙的有限元計算結果

1．3 耐壓艙的結構優化

利用Isight設計環境，使用序列二次規劃法(NSPQL)，將耐壓艙厚度t，肋骨數量n，矩形肋骨截面尺寸b和h，作為設計變量;以最小重量作為優化的目標函數;將規范中對于結構應力、屈服壓力的要求作為約束條件。優化得到最優結果見表1。經優化后，耐壓殼的厚度值t=10 mm，n=5，肋骨尺寸為20 mm×10 mm，重量值為32.9 kg。優化前后的結構相比，重量減少了4.91%，優化后模型查卷參數見表1。

表1 優化后模型相關參數

2 封頭的結構設計方法

根據規范［7］選擇適用范圍為受外壓的無孔平蓋設計、有孔已被加強的平蓋設計計算公式。首先不考慮開孔，初步設計厚度，安全系數取1.5，圓形平蓋的計算厚度(螺栓法蘭連接)公式如下。

式中:［σ］t——許用應力;

φ——焊接接頭系數，取φ=1.0;

Dc——平蓋計算直徑，Dc=0.332 3 m;

K——結構特征系數，與操作狀態及預緊狀態相關，根據規范取K=0．3。

則不開孔時，平蓋的厚度為

耐壓艙在實際使用過程中，需要開一個或多個圓孔，其開孔主要集中在兩端的封頭上，通常用于設備電纜的貫穿，以提供能源及信息傳輸。

根據規范規定平蓋開孔直徑之和d≤0．5Dc=0.166 15 m時，如果采用加厚平板代替補強，可將上式K用K/υ(υ為削弱系數)代替。

考慮端蓋開孔數量最多時的計算情況，開孔直徑之和d=0.156 m＜0.5Dc。則削弱系數

則此時平蓋的厚度為

最終，平蓋厚度按52 mm設計，并保證每個艙蓋上的開孔直徑之和不大于160 mm。

為了進一步研究平蓋封頭開孔大小、開孔分布對耐壓殼強度的影響，文中采用有限元方法對設計后的開孔封頭進行了強度計算。圖3是對模型進行計算，受到30 MPa靜水壓力計算結果，Mises應力為637 MPa，在內部小孔邊緣處最大。圖4是在30 MPa靜水壓力下，平蓋的位移云圖，最大位移發生在中心，為0.7 mm。通過計算，可以得出以下設計經驗，對于多個開孔的壓力艙封頭，滿足規范的條件下，開孔應盡量遠離位移中心，并均勻分布。

3 打壓試驗

圖3 開孔平蓋的應力云圖

圖4 開孔平蓋的位移云圖

深海耐壓儀器艙設計制造完成后，需要進行壓力試驗。該耐壓艙是用在深海，所以采用液壓試驗，試驗液體選用水在檢驗其耐壓能力的同時也便于觀察水密性能。2014年5月在哈爾濱工程大學綜合試驗水池高壓試驗罐中對耐壓艙進行了壓力試驗，見圖5。根據規范，打壓試驗壓力取1.25倍的工作壓力即25 MPa，保持3 h不泄壓，驗證了耐壓艙滿足壓力與水密要求。

圖5 鈦合金壓力艙

4 結論

1)耐壓艙經過耐壓試驗滿足使用要求。

2)基于ANSYS的二次開發工具APDL建立了耐壓艙的參數化結構有限元分析模型，并在Isight集成優化環境下進行了結構優化并獲得最優解，達到了水下結構減重的目的。該方法提高了計算效率，并且可以為后續優化工作提供前提。

3)通過壓力容器規范進行平蓋設計，并通過有限元校核了帶有多個開孔的平蓋結構。耐壓艙采用平蓋封頭，平蓋封頭空間占用率低，易于加工，在實際工程應用中更具有優勢。

4)對于大深度潛器的耐壓殼來說，高強度、低密度、耐腐蝕的鈦合金應該是首選材料。

［1］中國船級社.潛水系統與潛水器入級與建造規范［S］.北京:人民交通出版社，1996.

［2］茍鵬，崔維成.多球交接耐壓殼結構優化問題的研究［J］.船舶力學，2009.4，13(2):269-277.

［3］iSIGHT Reference Guide［M］.USA:Engineious Software，2004.

［4］劉濤.大深度潛水器結構分析與設計研究［D］.無錫:中國船舶科學研究中心，2001.

［5］李良碧，王仁華，俞銘華，等.深海載人潛水器耐壓球殼的非線性有限元分析［J］.中國造船，2005，46(4): 11-18.

［6］徐秉漢，朱邦俊，歐陽呂偉，等.現代潛艇結構強度的理論與實驗［M］.北京:國防工業出版社，2007.

［7］國家技術監督局.GB150-1998鋼制壓力容器［S］.北京:中國標準出版社，1998.

Structure Design and Experimental Verification of Deep-sea Pressure Shell Made by Titanium Alloy

YANG Zhuo-yi1，PANG Yong-jie2
(1.College of Naval Architecture and Ocean Engineering，Shandong Jiaotong University，Jinan 250000，China; 2.Key Laboratory of Underwater Vehicle Technology，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China)

Based on the minimum weight principle and service conditions，cylinder shell made by titanium alloy is designed for 2 000 m diving depth using the criterion and finite element analysis.Flat cover with many openings is also designed and analyzed.The design variables are selected and the parameterization FE nodel of pressure shell is established.The optimal structure of pressure shell is attained by using Isight.The pressure experiment is carried out to validate that the proposed design method is suitable and the designed pressured shell can meet the requirements of mechanical performance and weight.

pressured shell;titanium alloy;structure design;pressure experiment

U661.4

A

1671-7953(2015)02-0064-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.017

2014-11-04

修回日期:2014-11-27

山東交通學院博士科研啟動基金

楊卓懿(1983-)，女，博士，講師

研究方向:潛水器總體設計

E-mail:yangzhuoyi@hrbeu.edu.cn