多個密封觀察窗口耐壓殼體有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

付 娜 張 屹

（1.三峽大學(xué) 機械與動力學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.中南裝備有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443005）

1 關(guān)于單一觀察窗口耐壓殼體

潛器光電觀察設(shè)備通常有紅外觀察、可見光觀察和激光測距的功能要求，因觀察視場和安裝傳感器內(nèi)部空間限制及設(shè)備對重量嚴(yán)格的要求，整機采用薄外殼的圓柱形結(jié)構(gòu).當(dāng)耐壓殼體受深水外界壓力后，圓柱面因透光線的平臺開口處受壓變形量較殼體圓周部分大，局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)耐壓殼體觀察窗口平臺開口處因應(yīng)力集中產(chǎn)生的位移量，超出玻璃可承受的最大變形量，玻璃會破碎，可對設(shè)備產(chǎn)生致命影響.

通常情況下，為減少耐壓殼體加工難度及提高整個耐壓殼體受壓后的安全系數(shù)，采用單一保護玻璃即圓柱面開單一觀察窗口，根據(jù)給定參數(shù)和模型剛度需求，耐壓殼體材料為鈦合金TC4，壁厚為5mm，玻璃材料為ZnSe，厚度為10mm，因給定觀察范圍的限制，安裝保護玻璃的圓柱面平臺開口尺寸長寬比約為3∶1.為了減小殼體變形對玻璃產(chǎn)生的應(yīng)力影響，設(shè)計采用了平面橡膠墊＋側(cè)面O型圈的密封形式，其安裝結(jié)構(gòu)為采用螺釘均勻壓緊的方式，將保護玻璃固定在壓蓋和殼體的平臺面之間.在外壓作用下水就不能進入殼體內(nèi)部，耐壓殼體變形過程中位移最大處由平面橡膠墊提供變形緩沖量，使保護玻璃直接承受的位移變形量減少.

根據(jù)有限元ANSYS軟件對耐壓殼體進行網(wǎng)格劃分后進行受力分析，結(jié)果為耐壓殼體最大位移量為0.482mm，位置在平臺開口處中間位置.經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)玻璃破裂，因此傳統(tǒng)的單一觀察窗口耐壓殼體設(shè)計方案在此給定條件下設(shè)計不合理.

2 耐壓殼體的結(jié)構(gòu)分析

2.1 多個密封觀察窗口耐壓殼體結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)上述分析，若紅外觀察與激光測距共用同一觀察窗口，安裝保護玻璃的圓柱面開口尺寸長寬比較大，為滿足設(shè)備紅外觀察和激光測距的功能，及對耐壓殼體重量分配的需求，考慮優(yōu)化設(shè)計方案為紅外和激光各自開一個觀察窗口，不共用一塊反光鏡和保護玻璃，并且開口方向為圓柱耐壓殼體兩側(cè)，圓柱面開口尺寸長寬比將大幅減少，耐壓殼體材料仍選用強度好，比重低，耐腐蝕的鈦合金TC4.首先利用Pro／e軟件建立耐壓殼體的三維模型，然后將該三維模型導(dǎo)入到ANSYS軟件［1－2］中，為下一步有限元分析做準(zhǔn)備.

由于重量限制以及模型剛度需求，耐壓殼體壁厚為5mm，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，耐壓殼體受外力作用示意圖如圖2所示.

圖1 耐壓殼體部件結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 耐壓殼體受外力 作用示意圖

在該潛器光電觀察設(shè)備有限元分析中耐壓殼體的半徑為70mm，殼體有兩處開口平面，壁厚為5 mm，通過系列計算以及收斂性檢驗，以1.0MPa靜水壓力為標(biāo)準(zhǔn)，進行受力后殼體變形分析，對實體模型劃分網(wǎng)格并施加載荷［3］，確定網(wǎng)格大小為5.5mm，step1的固定增量步長為0.05min，step2的固定增量弧長為0.005min.

通過有限元分析結(jié)果得知，最大位移量產(chǎn)生于圓柱殼體放置保護玻璃的平臺開口中間位置，從圖3得出殼體最大變形量為0.342mm，從圖4得出耐壓殼體最大應(yīng)力為Smax＝180MPa.根據(jù)計算及試驗統(tǒng)計經(jīng)驗值，玻璃材料在1.0MPa靜水壓力下能承受的最大位移量不能超過0.1mm，因此當(dāng)耐壓殼體的最大變形位移量為0.342mm時，玻璃會斷裂.

圖3 耐壓殼體位移圖解

圖4 耐壓殼體應(yīng)力圖解

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

穩(wěn)定性理論［4］中最基本的問題之一是如何確定參數(shù)穩(wěn)定區(qū)域與不穩(wěn)定區(qū)域的界限，即所謂“臨界值”問題.以下是3種常用的穩(wěn)定性判別準(zhǔn)則.

1）靜力準(zhǔn)則：來源于經(jīng)典穩(wěn)定性定義，即認(rèn)為結(jié)構(gòu)在一定載荷作用下，其平衡形態(tài)的鄰域中若存在其它平衡形態(tài)，則原來的平衡形態(tài)就是不穩(wěn)定的，具有上述性質(zhì)的最小載荷稱為臨界載荷.這個準(zhǔn)則將平衡狀態(tài)的分叉與失穩(wěn)視為同一概念.

2）能量準(zhǔn)則：結(jié)構(gòu)在載荷的作用下，若對其所處的平衡形態(tài)給予任意一個可能位移（與初始條件及邊界相協(xié)調(diào)的運動）都將導(dǎo)致系統(tǒng)總勢能的增大，即內(nèi)能的增量超過外力在這個位移上所做的功，則系統(tǒng)所處的平衡形態(tài)是穩(wěn)定的.這個準(zhǔn)則具有鮮明的物理意義.

3）動力準(zhǔn)則：這個準(zhǔn)則是從Liapunov關(guān)于受擾動的有界性概念來的.一個系統(tǒng)，若當(dāng)其受到任意的微小擾動以后都可保證其始終只在原狀態(tài)附近運動而不遠(yuǎn)離它，則稱這個系統(tǒng)是穩(wěn)定的.這是穩(wěn)定性理論中較為一般的準(zhǔn)則，可用于類似跟隨力那樣的非保守系統(tǒng)，由于這種準(zhǔn)則要求在任意初擾動下，直到時間趨于無窮時考察結(jié)構(gòu)變形的有界性，所以具體應(yīng)用有困難.

加筋殼體結(jié)構(gòu)的一般分析方法有均勻化法、近似分析法、有限條法、2維或3維有限單元法［5］.結(jié)構(gòu)在平衡狀態(tài)下的穩(wěn)定問題，因為需要考慮力在變形后的結(jié)構(gòu)上的平衡，以致于即使在彈性范圍內(nèi)也是一個幾何上的非線性問題，而如果考慮結(jié)構(gòu)在進入塑性變形后的穩(wěn)定問題就還需加入物理非線性，使得塑性屈曲問題十分復(fù)雜.參考統(tǒng)一強度理論［6］分析了厚壁圓筒和厚壁球殼的極限載荷，將有限元分析與經(jīng)典理論相結(jié)合［7］得出了統(tǒng)一解形式.

有加強筋殼體結(jié)構(gòu)與無加強筋殼體結(jié)構(gòu)相比具有優(yōu)越的結(jié)構(gòu)性能，平滑的外表面，較高的強度，良好的抗疲勞性能［8］，最重要的是重量低及結(jié)構(gòu)性能佳.

對多個密封觀察窗口耐壓殼體進行優(yōu)化設(shè)計，耐壓殼體外形尺寸及內(nèi)部空間與優(yōu)化前的耐壓殼體相等，壁厚為5mm，充分利用殼體內(nèi)部空間，在殼體內(nèi)部與傳感器無干涉部位設(shè)計加強筋.在重量許可的條件下，耐壓殼體結(jié)構(gòu)具體為根據(jù)受力情況合理設(shè)計不同的壁厚，和不同疏密程度的加強筋，并可對局部干涉內(nèi)部元器件部分進行削割.結(jié)構(gòu)優(yōu)化后部件示意圖如圖5所示，應(yīng)力圖解如圖6所示，位移圖解如圖7所示.

圖5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后部件示意圖

圖6 耐壓殼體應(yīng)力圖解

圖7 耐壓殼體位移圖解

因所選鈦合金TC4材料的彈性模量為1.08×105MPa，屈服強度σs為600～900MPa，抗拉強度800～1 200MPa.通過有限元分析計算［9］結(jié)果得知，最大位移產(chǎn)生于圓柱殼體平臺開口處中間位置，其中耐壓殼體最大位移量為0.068mm，在外力靜載荷作用下，材料安全系數(shù)可取1.4，求得許用應(yīng)力［σh］為420MPa，最大許用變形［L］為5mm.

從圖6可以看出耐壓殼體最大應(yīng)力為Smax＝120 MPa＜［σh］＝420MPa，所以耐壓殼體的強度是安全可靠的.從圖7可以看出耐壓殼體最大變形為Dmax＝0.068mm＜5mm，所以耐壓殼體的剛度也是安全可靠的.由以上仿真結(jié)果可以得出耐壓殼體的最大應(yīng)力和最大變形量遠(yuǎn)小于許用的應(yīng)力和許用的變形量，強度和剛度均能達(dá)到要求.優(yōu)化后的耐壓殼體能夠滿足設(shè)計要求.

3 試驗驗證

3.1 潛器耐壓殼體部件氣密性試驗

潛器耐壓殼體部件裝配完成后，先對部件進行氣密性實驗，將耐壓殼體部件內(nèi)部充入氮氣，然后將部件放入水槽中，并將部件淹沒，一定時間后內(nèi)水槽內(nèi)無氣泡產(chǎn)生，證明部件為密封，氣體無泄漏，圖8為氣密試驗圖.

圖8 氣密試驗圖

3.2 潛器耐壓殼體部件靜水外壓試驗

潛器耐壓殼體部件在密閉壓力罐中，要求產(chǎn)品整體應(yīng)能承受1.0MPa的外部靜水壓力.紅外和白光保護玻璃無破裂；內(nèi)部無水滴和水汽；機械零件無損傷.

試驗在外壓試驗設(shè)備上進行靜態(tài)試驗，試驗開始：壓力從0MPa增加到1.0MPa，歷時10min；在1.0MPa壓力下，保持20min；壓力從1.0MPa降至0 MPa，歷時5min.試驗前，產(chǎn)品已進行仔細(xì)干燥.部件在外壓試驗過程中，若壓力表指示不變，玻璃則完好無損.試驗后玻璃完好無損.外壓結(jié)果示意圖如圖9所示.

圖9 改進結(jié)構(gòu)后外壓結(jié)果

4 結(jié) 語

通過分析現(xiàn)有耐壓殼體的結(jié)構(gòu)參數(shù)和保護玻璃窗口密封結(jié)構(gòu)形式，利用有限元計算耐壓殼體在受外界壓力過程中不同位置的受力分析和變形量，確定耐壓殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其與保護玻璃連接處的密封結(jié)構(gòu)及保護措施.對備選方案進行計算機模擬，通過穩(wěn)定性分析獲得受外界壓力過程中變形形狀、位移分布、應(yīng)力分布等技術(shù)指標(biāo).根據(jù)模擬仿真結(jié)果獲得實際裝配中的理論參數(shù)，觀察設(shè)備實際耐壓殼體和保護玻璃設(shè)計及密封安裝方式得到驗證.試驗驗證結(jié)果表明，在理論指導(dǎo)下采用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS建立有限元靜力學(xué)計算模型，并模擬實際的受靜水壓力條件，結(jié)果表明通過該設(shè)計方法得到優(yōu)化的多個密封觀察窗口耐壓殼體結(jié)構(gòu)布局合理且能夠滿足強度要求.

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