基于APDL的深海環境模擬耐壓艙應力分析

李德威，劉慶亮，楊　雷，李寶鋼，丁忠軍，楊　磊，任玉剛

（國家深海基地管理中心，山東　青島　266235）

基于APDL的深海環境模擬耐壓艙應力分析

李德威，劉慶亮，楊雷，李寶鋼，丁忠軍，楊磊，任玉剛

（國家深海基地管理中心，山東青島266235）

針對兩種不同底座結構的90 MPa深海環境模擬耐壓艙，應用AYSYS軟件的APDL建立參數化有限元模型，在有限元分析基礎上，將分析數據映射至高應力強度及不連續部位路徑上進行線性化處理；依據JB4732-1995《鋼制壓力容器-分析設計標準》中的應力限制對線性化結果進行安全評定；分析對比兩種方案，以設計安全和重量最小化為目標，優選滿足設計要求的結構方案，為深海環境模擬壓力艙的設計提供了參考。

深海環境模擬系統；耐壓艙；APDL；應力分析

海底蘊藏著豐富的礦產、生物、地質資源，隨著水下運載技術和探測監測技術的進步，大量儀器裝備投入使用，為深海科學研究的開展提供了技術保障。然后，由于深海環境惡劣、海底地形復雜，儀器設備在海上作業前需進行深海環境模擬試驗，以確保其可靠安全，從而提高海底作業效率，減小風險損失［1］。超高壓耐壓艙是深海環境模擬系統的核心部分，要求能夠在4～10℃范圍內模擬90 MPa以內深海環境，應用于水下運載器及深海研究相關儀器設備的壓力試驗。

傳統設計方法適用于K（內外徑之比）﹤1.2的薄壁容器設計，壁厚越厚，K值越大，計算造成的誤差也就越顯著［2-3］。本文對K值接近1.5的兩種不同底座結構超高壓模擬耐壓艙，通過APDL建立結構參數化有限元模型，在應力分析基礎上對高應力強度及不連續部位沿路徑線性化處理，以校核耐壓艙整體和局部應力，對于提高設計質量，優選設計方案，降低制造成本具有重要意義。

1　設計參數

超高壓環境模擬耐壓艙設計參數為：最大工作壓力：90 MPa；工作溫度：4～40℃；工作介質：水；筒體內徑：Φ=1 600 mm；有效長度：3 000 mm；筒體材質：20MnMoNb鍛件；材料設計應力強度：［σ］t=235 MPa［4-5］。

為便于開展試驗，安裝采用直立地下半埋入式，開口滿足1 600 mm有效直徑，密封參考伍德式高壓密封結構，筒體上部設環形抗剪槽，用以安裝平蓋和抗剪環，形成可靠承壓密封結構，筒體底部采用平端蓋式或球封頭式。

1.1筒體

載荷系數：J=1.0，由于

艙體壁厚的公式為：

式中：J為載荷組合系數，J=1；［σ］t為材料許用應力，［σ］t=235 MPa；P為計算壓力，P=90 MPa；Di為艙體內徑，Di=1 600 mm。

將上述數據代入式（2），得計算厚度378.9 mm，考慮腐蝕裕量等因素圓整后，艙體壁厚δ1=380 mm。

1.2底部端蓋

式中：Ks為結構特征系數，在標準中的圖標里無法查到，這里取最大值Ks=0.16；

對于受壓元件底部端蓋鍛件的許用應力，增加安全系數0.6，即材料許用應力為0.6×235MPa=141MPa。將上述數據代入式（3），得計算厚度511.3 mm，考慮腐蝕裕量等因素圓整后，取底部端蓋壁厚δ2=560 mm。

1.3球形封頭

式中：R取880 mm，得到球形封頭計算厚度186.4 mm，考慮腐蝕裕量等因素圓整后δ3=210 mm。

兩種耐壓艙結構如示意圖1。

圖1　耐壓艙結構示意圖

2　參數化有限元分析簡介

ANSYS參數化設計語言APDL由1 000多條ANSYS命令組成，可用于自動完成通用性強的任務，通過參數化模型和后處理過程減少建模和后處理重復操作，能夠有效提高設計效率。

具體實施步驟為：

（1）根據耐壓艙設計計算結果，抽象出模型的特征參數，在保證精度的前提下適當簡化模型；

（2）應用APDL語言建立包括結構尺寸、網絡劃分、邊界條件、載荷、材料、求解、提取體積、計算重量的命令流文件；

（3）根據求解結果確定高應力強度及不連續部位的節點，在命令流文件里添加擬評定截面，并添加線性化處理命令；

（4）對處理結果進行評定，確定擬使用方案。

3　耐壓艙有限元分析

進行有限元分析時，將空間問題平面化并對整體建立軸對稱模型，有利于減少計算時間，得到比三維幾何模型更精確的結果［6］。因此，模型單元采用Plane82平面軸對稱單元，材料的彈性模量E=2.06× 105MPa，泊松比μ=0.3，材料密度ρ=7.85×103kg/m3。模型采用四邊形網絡進行劃分，設定單元尺寸大小20 mm。為了防止機構產生整體軸向位移，在耐壓艙筒體底面施加軸向約束，底部軸線施加對稱位移約束［7］，圖2為兩種壓力艙筒體結構的有限元模型。

假設抗剪環對端部法蘭溝槽上表面作用的載荷沿接觸面均勻分布，根據靜力平衡條件：

圖2　耐壓艙有限元模型

可得出接觸壓力為：

式中：p為筒體內壓，MPa；Di為筒體內徑，mm；D2為端部法蘭上環內徑，mm；h為抗剪切環的作用寬度，mm。

因此，對于模型1，在筒體內表面及平蓋下表面施加90 MPa壓力，在筒體端部法蘭溝槽上表面施加均勻分布載荷q1=235 MPa；對于模型2，在筒體內表面及球封頭內表面施加90 MPa壓力，筒體端部法蘭溝槽上表面施加均勻分布載荷q2=225 MPa。

計算結束后，在APDL后處理命令流中通過：

*GET，VTOT，SSUM，ITEM，EVOL

*SET，WT，DENS*VTOT

分別得到模型1的體積為1.71×1010kg/mm3，總重量約134.2 t；模型2的體積為1.45×1010kg/mm3，總重量約113.9 t。

4　ANSYS軟件應力線性化

在危險截面處選取評定線，采用等效線性化處理方法將評定線上各種應力分解為薄膜應力、彎曲應力和峰值應力，并最終計算得出應力強度是目前普遍采用的應力評定方法［8-9］。

如圖3所示，ANSYS軟件的線性化功能自動將定義的路徑分割，通過分段數值積分沿線各點同類應力分量σi，j（i=1，2，…49指分割路徑48份；j=1，2，…6分別指σx，σv，σz，σxy，σyz，σzx），從而得到沿路徑的薄膜應力為：

圖3　ANSYS線性化示意圖

圖3中，節點1、2處的彎曲應力為：

5　線性化結果及評定

在設計壓力下，筒體的應力分布情況如圖4～圖5所示。最大應力出現在筒體端部法蘭溝槽內圓弧處，最大應力分別為624.375 MPa和640.115 MPa，超過材料的屈服極限，發生局部塑性變形，這是由于結構的不連續所導致的應力集中。

根據壓力分析結果，分別在遠離筒體結構不連續處、筒體與底部連接處、最大應力處沿壁厚方向分別取截面進行應力分類校核［10］。

沿模型1圓柱筒體壁厚方向選取截面A-A，在此截面上，周向應力σθ、徑向應力σγ、應力強度在筒體壁厚方向的分布如圖6所示。

沿模型2筒體與球封頭連接處選取截面B-B，在此截面上，周向應力σθ、徑向應力σγ、應力強度在筒體壁厚方向的分布如圖7所示，應力線性化結果如圖8所示。

圖4　模型1應力分布圖

圖5　模型2應力分布圖

圖6　A-A截面應力在壁厚上的分布（模型1）

圖7　B-B截面應力在壁厚上的分布（模型2）

圖8　B-B路徑上應力線性化結果（模型2）

沿模型2端部法蘭溝槽最大應力處沿壁厚方向選取截面C-C，在此截面上，應力線性化結果如圖9所示。

圖9　C-C路徑上應力線性化結果（模型2）

對兩個模型3條截面路徑的應力分類與校核評定結果見表1。表中：SⅠ為一次總體薄膜應力；SⅡ為一次局部薄膜應力；SⅢ為一次薄膜加一次彎曲應力；SⅣ為一次加二次應力。

表1　A-A，B-B，C-C主要應力強度評定匯總表

從表1可以看出，雖然在3條危險截面的應力分布和強度大小有所不同，但均未超出規范的限定值，滿足《JB 4732-95》設計安全要求，且在筒體壁厚截面和法蘭溝槽處截面，由于設計參數相似，應力結果基本一致；在筒體與底座連接處，受彎曲結構影響，方案2的一次局部薄膜應力、一次薄膜加一次彎曲應力明顯大于方案1的應力。

6　結語

（1）本文采用有限元軟件ANSYS的APDL命令流方法對深海超高壓環境模擬耐壓艙的兩種設計方案進行了分析和應力評定。結果表明，兩種方案均滿足設計安全要求，在滿足設計安全的前提下，使用方案2能夠明顯地節約使用材料，降低制造成本。

（2）采用模型參數化的有限元分析方法對設計方案進行應力評定，可以提高設計分析的可靠性，為方案確定提供依據，由于模型建立和分析過程采用命令流方式，可以極大提高復雜模型應力分析和優化的效率。

［1］丁忠軍，魏曉.深海高壓環境模擬實驗艙熱-應力分析［J］.壓力容器，2013，6（30）:27-31.

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［4］JB4732-1995.鋼制壓力容器-分析設計標準［S］.北京：全國壓力容器標準化技術委員會，1995：30.

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［8］曲杰，江楠.基于有限元分析的大型高壓釜優化設計［J］.壓力容器，2009，26（6）:19-23.

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［10］蔣偉華.基于O形橡膠圈密封的高壓容器設計和研究［D］.浙江：浙江大學，2006：21-22.

Stress Analysis of Simulative Pressure-Proof Cabin for Deep-Sea Application Based on APDL

LI De-wei，LIU Qing-liang，YANG Lei，LI Bao-gang，DING Zhong-jun，YANG Lei，REN Yu-gang
National Deep Sea Center，Qingdao 266235，Shandong Province，China

By using the ANSYS software，two parametric finite element models based on APDL are developed for simulative pressure-proof cabins with different bottom structures operating in 90 MPa deep-sea environment.On the basis of finite element analysis，linearization process is used for discontinuous path with high stress intensity，and data of the linearization results are obtained and safety assessment is conducted according to the national criterion JB 4732-1995.With design safety and weight minimizing as the target，the structural model is selected by comparing and analyzing two design schemes.The results in this paper provide a reliable reference for the design of simulative pressure-proof cabins operating in the deep-sea environment.

deep-sea environment simulator；pressure-proof cabin；APDL；stress analysis

TH123；P751

A

1003-2029（2016）03-0062-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.03.012

2015-12-03

海洋公益性行業科研專項資助項目（201105031）

李德威（1984-），男，碩士，工程師，主要研究方向為深海裝備研發、機械設計。E-mail:ldw@ndsc.org.cn