靜水壓力下小開孔球形殼體強度分析

蘭四清 許愛林

（1、武夷學院，福建 武夷山354300 2、中國石油大學（北京），北京102249）

1 概述

耐壓殼體是潛水器的關鍵部分，其重量占潛水器總重的1/4～1/2[1]。潛水耐壓球殼的開孔附近區(qū)域有明顯的應力集中，削弱球殼力學性能，影響其疲勞壽命及下潛極限深度。設計合理的加強結構可以減弱開孔對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孔球殼的強度和穩(wěn)定性以及其強度和穩(wěn)定性對開孔加強參數(shù)的敏感度，并對球殼進行優(yōu)化加強。

2 潛水器耐壓強度有限元分析

利用ANSYS 有限元分析軟件建立完整耐壓殼結構的有限元模型，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，屈服強度為873MPa，使用SHELL181 殼單元來建立模型。

2.1 完整球形耐壓殼有限元分析

分別對模型施加1500m、2000m、2500m、3000m 水深下的對應壓力，進行強度和線性屈曲分析，得到結構的應力分布和屈曲形態(tài)。1500m 深度下耐壓殼的應力分布如圖1，球殼一階屈曲模態(tài)如圖2。耐壓球殼的應力分析結果見表1，當潛水器在2000m 水深工作時，最大應力645MPa 小于CCS 規(guī)范[3]，滿足要求，但下潛到2500m 時應力不再滿足要求。通過屈曲分析得到其臨界失穩(wěn)壓力為71.17MPa，而根據(jù)強度分析，耐壓球殼在受24.5MPa 壓力時，其最大應力就已經(jīng)超出船級社規(guī)范中的許用應力了。由此可分析出，靜水壓力不斷增大，耐壓球殼首先發(fā)生強度破壞；當潛水器向更深處下潛，靜水壓力才能達到臨界屈曲壓力，耐壓殼體產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。

2.2 開孔球形耐壓殼有限元分析

在原耐壓殼結構上進行開孔，參數(shù)如表2，對其進行靜力和線性屈曲分析。

在2500 米深度下，開孔球殼最大應力為1420MPa，完整球殼的最大應力為806MPa，開孔耐壓球殼最大應力是完整球殼的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 耐壓球殼應力分析結果

表2 開孔耐壓球殼設計參數(shù)

2.3 開孔圍壁加強分析

2.3.1 孔徑a 的變化對強度和失穩(wěn)力的影響

固定D、t、H、t1，改變孔徑a，分析它對開孔處應力大小和臨界失穩(wěn)力的影響，結果在表3 中。圖3 為一個初步的簡單開孔結構形式示意圖。圖4 為隨孔徑增大開孔處最大應力增大，臨界屈曲載荷減小的曲線。

2.3.2 圍壁厚度t1 的變化對強度和失穩(wěn)力的影響

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

當t1 在0.023～0.043mm 之間對結構加強效果最好，當t1=0.043mm，Pcr=67.789MPa，開孔處的最大應力為538MPa 小于材料的屈服強度，873MPa，符合強度和穩(wěn)定性要求。

2.3.3 圍壁高度H 的變化對強度和失穩(wěn)力的影響

圖1 球殼的等效應力云圖

圖3 開孔球殼結構

圖4 不同孔徑下耐壓球殼開孔處最大應力和臨界屈曲載荷

圖5 不同圍壁厚度下耐壓球殼開孔處最大應力和臨界屈曲載荷

圖6 不同圍壁高度下耐壓球殼開孔處最大應力和臨界屈曲載荷

表4 在不同圍壁厚度t 值下的耐壓球殼開孔處的最大應力及臨界壓力

表5 不同圍壁高度H 下的耐壓球殼開孔處的最大應力及臨界壓力

固定球殼D、t、a、t1，改變圍壁高度H，計算結果在表5 中。圖6 為不同圍壁高度下耐壓球殼開孔處最大應力和臨界屈曲載荷變化趨勢。當H 在0.10～0.12mm 之間對結構加強效果最好,當H=0.12m，此時開孔處的最大應力為806MPa 小于材料的屈服強度，符合強度和穩(wěn)定性要求。

3 結論

3.1 耐壓球殼最大應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)生的是強度破壞而非穩(wěn)定性破壞。

3.2 2500m 水深中，開孔耐壓球殼最大應力是無開孔球殼的1.8 倍。開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 由加強圍壁參數(shù)對耐壓球殼強度與穩(wěn)定性的影響得出優(yōu)化結構：圍壁厚度t1=0.043mm，圍壁高度H=0.12m。