靜水壓力下小開(kāi)孔球形殼體強(qiáng)度分析

蘭四清 許愛(ài)林

（1、武夷學(xué)院，福建 武夷山354300 2、中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京102249）

1 概述

耐壓殼體是潛水器的關(guān)鍵部分，其重量占潛水器總重的1/4～1/2[1]。潛水耐壓球殼的開(kāi)孔附近區(qū)域有明顯的應(yīng)力集中，削弱球殼力學(xué)性能，影響其疲勞壽命及下潛極限深度。設(shè)計(jì)合理的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)可以減弱開(kāi)孔對(duì)耐壓球殼的不利影響。本文主要從數(shù)值分析的角度研究了完整球殼和開(kāi)孔球殼的強(qiáng)度和穩(wěn)定性以及其強(qiáng)度和穩(wěn)定性對(duì)開(kāi)孔加強(qiáng)參數(shù)的敏感度，并對(duì)球殼進(jìn)行優(yōu)化加強(qiáng)。

2 潛水器耐壓強(qiáng)度有限元分析

利用ANSYS 有限元分析軟件建立完整耐壓殼結(jié)構(gòu)的有限元模型，耐壓球殼內(nèi)徑2.1m，球殼厚度23mm，采用了Ti-6Al-4VELI[2]鈦合金材料， 彈性模量為1.127E5MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為873MPa，使用SHELL181 殼單元來(lái)建立模型。

2.1 完整球形耐壓殼有限元分析

分別對(duì)模型施加1500m、2000m、2500m、3000m 水深下的對(duì)應(yīng)壓力，進(jìn)行強(qiáng)度和線性屈曲分析，得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和屈曲形態(tài)。1500m 深度下耐壓殼的應(yīng)力分布如圖1，球殼一階屈曲模態(tài)如圖2。耐壓球殼的應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)表1，當(dāng)潛水器在2000m 水深工作時(shí)，最大應(yīng)力645MPa 小于CCS 規(guī)范[3]，滿(mǎn)足要求，但下潛到2500m 時(shí)應(yīng)力不再滿(mǎn)足要求。通過(guò)屈曲分析得到其臨界失穩(wěn)壓力為71.17MPa，而根據(jù)強(qiáng)度分析，耐壓球殼在受24.5MPa 壓力時(shí)，其最大應(yīng)力就已經(jīng)超出船級(jí)社規(guī)范中的許用應(yīng)力了。由此可分析出，靜水壓力不斷增大，耐壓球殼首先發(fā)生強(qiáng)度破壞；當(dāng)潛水器向更深處下潛，靜水壓力才能達(dá)到臨界屈曲壓力，耐壓殼體產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。

2.2 開(kāi)孔球形耐壓殼有限元分析

在原耐壓殼結(jié)構(gòu)上進(jìn)行開(kāi)孔，參數(shù)如表2，對(duì)其進(jìn)行靜力和線性屈曲分析。

在2500 米深度下，開(kāi)孔球殼最大應(yīng)力為1420MPa，完整球殼的最大應(yīng)力為806MPa，開(kāi)孔耐壓球殼最大應(yīng)力是完整球殼的1.8 倍。其最小彈性失穩(wěn)力為67.6688MPa，完整球殼的屈曲臨界失穩(wěn)壓力為71.1676MPa，相比之下，開(kāi)孔球殼的最小彈性失穩(wěn)力要明顯減小，與完整球殼相差4.9%。

表1 耐壓球殼應(yīng)力分析結(jié)果

表2 開(kāi)孔耐壓球殼設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3 開(kāi)孔圍壁加強(qiáng)分析

2.3.1 孔徑a 的變化對(duì)強(qiáng)度和失穩(wěn)力的影響

固定D、t、H、t1，改變孔徑a，分析它對(duì)開(kāi)孔處應(yīng)力大小和臨界失穩(wěn)力的影響，結(jié)果在表3 中。圖3 為一個(gè)初步的簡(jiǎn)單開(kāi)孔結(jié)構(gòu)形式示意圖。圖4 為隨孔徑增大開(kāi)孔處最大應(yīng)力增大，臨界屈曲載荷減小的曲線。

2.3.2 圍壁厚度t1 的變化對(duì)強(qiáng)度和失穩(wěn)力的影響

固定D、t、a、H，改變圍壁厚度t1，分析結(jié)果在表4 中。圖5 可看出隨圍壁厚度增加開(kāi)孔處最大應(yīng)力減小，臨界屈曲載荷線性增大到最大值后趨于平緩。

當(dāng)t1 在0.023～0.043mm 之間對(duì)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)效果最好，當(dāng)t1=0.043mm，Pcr=67.789MPa，開(kāi)孔處的最大應(yīng)力為538MPa 小于材料的屈服強(qiáng)度，873MPa，符合強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。

2.3.3 圍壁高度H 的變化對(duì)強(qiáng)度和失穩(wěn)力的影響

圖1 球殼的等效應(yīng)力云圖

圖3 開(kāi)孔球殼結(jié)構(gòu)

圖4 不同孔徑下耐壓球殼開(kāi)孔處最大應(yīng)力和臨界屈曲載荷

圖5 不同圍壁厚度下耐壓球殼開(kāi)孔處最大應(yīng)力和臨界屈曲載荷

圖6 不同圍壁高度下耐壓球殼開(kāi)孔處最大應(yīng)力和臨界屈曲載荷

表4 在不同圍壁厚度t 值下的耐壓球殼開(kāi)孔處的最大應(yīng)力及臨界壓力

表5 不同圍壁高度H 下的耐壓球殼開(kāi)孔處的最大應(yīng)力及臨界壓力

固定球殼D、t、a、t1，改變圍壁高度H，計(jì)算結(jié)果在表5 中。圖6 為不同圍壁高度下耐壓球殼開(kāi)孔處最大應(yīng)力和臨界屈曲載荷變化趨勢(shì)。當(dāng)H 在0.10～0.12mm 之間對(duì)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)效果最好,當(dāng)H=0.12m，此時(shí)開(kāi)孔處的最大應(yīng)力為806MPa 小于材料的屈服強(qiáng)度，符合強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。

3 結(jié)論

3.1 耐壓球殼最大應(yīng)力隨深度增加而增大；隨著下潛深度的逐漸增加，耐壓球殼首先發(fā)生的是強(qiáng)度破壞而非穩(wěn)定性破壞。

3.2 2500m 水深中，開(kāi)孔耐壓球殼最大應(yīng)力是無(wú)開(kāi)孔球殼的1.8 倍。開(kāi)孔球殼的最小彈性失穩(wěn)力要明顯減小，與完整球殼相差4.9%。

3.3 由加強(qiáng)圍壁參數(shù)對(duì)耐壓球殼強(qiáng)度與穩(wěn)定性的影響得出優(yōu)化結(jié)構(gòu)：圍壁厚度t1=0.043mm，圍壁高度H=0.12m。