深海壓力筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計與變形分析

吳建美，王 勇

(1.安徽三聯(lián)學(xué)院 機械工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.合肥工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

水下儀器設(shè)備的可靠性需要模擬實驗裝置進行測試，隨著水下資源的進一步開發(fā)，對深海模擬實驗裝置的精度提出了更高的要求[1-4]，因此設(shè)計一種精確性較高的深海壓力模擬裝置具有重要意義。文獻[5-6]采用液壓泵和電液伺服閥進行壓力控制，但由于受到電液伺服閥自身控制精度和電機轉(zhuǎn)速波動的影響，很難實現(xiàn)較高精度的壓力控制。文獻[7-8]通過活塞進給壓縮模擬裝置內(nèi)的液體容積進行壓力控制，這種方法控制精度較高，但該方法的壓力控制范圍有限，難以實現(xiàn)較大壓力環(huán)境下的高精度壓力控制，故其應(yīng)用范圍較窄。高精度模擬海下壓力環(huán)境，不僅要考慮大壓力環(huán)境，還要考慮大壓力環(huán)境下的精度控制。綜合考慮以上因素，基于液體可壓縮性提出了雙液壓缸式壓力控制方法[9-10]。該加壓方案通過用大小活塞進給實現(xiàn)，其中大活塞進給加壓時可以使壓力裝置內(nèi)部快速達到目標(biāo)壓力值范圍，小活塞進給加壓可以精準(zhǔn)控制微小壓力，從而達到高精度模擬深海壓力環(huán)境的目標(biāo)。

1 機構(gòu)設(shè)計

為了減小因為壓力波動帶來的誤差問題，研制了一種可以測量微小水壓變化的雙液壓缸式深海壓力筒，能夠用于對水下儀器設(shè)備的研究。本裝置可實現(xiàn)較高精度的深海環(huán)境模擬，深海壓力筒如圖1所示。主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 深海壓力筒1-壓力筒；2-驅(qū)動系統(tǒng)；3-管路；4-液壓缸；5-支架

表1 深海壓力筒主要技術(shù)參數(shù)

深海壓力筒系統(tǒng)組成主要包括：壓力筒、驅(qū)動系統(tǒng)、管路、液壓缸及支架。該裝置采用雙液壓缸式加壓系統(tǒng)，通過大、小活塞協(xié)調(diào)進給實現(xiàn)0～6.0MPa的精確加壓需求，其中大活塞進給加壓時可以使壓力裝置內(nèi)部快速達到目標(biāo)壓力值范圍，小活塞進給加壓可以精準(zhǔn)控制微小壓力，從而達到高精度模擬深海壓力環(huán)境的目標(biāo)。

2 變形分析

壓力筒的變形、管路的變形、螺栓的變形都會引起整個裝置內(nèi)部壓力的降低，但由于管路的變形、螺栓的變形影響較小，所以在此僅研究壓力筒的變形情況[11]。

2.1 筒體的變形分析

筒體的變形分析過程如下：

(1)模型的建立

首先利用三維建模軟件對筒體建模，建模過程中將倒圓角、倒角的地方簡化，然后將簡化后的幾何模型直接導(dǎo)入ANSYS分析軟件中。

(2)選擇單元類型與設(shè)定材料屬性

由于筒體是實體，故選用實體單元類型；根據(jù)筒體的耐壓性能，選定的材料為0Cr18Ni9高合金鋼，其屬性根據(jù)材料的性能進行定義。

(3)網(wǎng)格劃分

筒體上有較多的螺栓孔，因此選用Smartsize來設(shè)定該筒體的網(wǎng)格大小，然后設(shè)置單元尺寸對網(wǎng)格的質(zhì)量進行細化。最終得到的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 筒體的網(wǎng)格劃分

(4)加載求解

在筒體上需要設(shè)置相應(yīng)的約束和載荷進行分析求解。根據(jù)筒體的約束和受載情況需要對24個螺栓孔添加徑向約束、對筒體的內(nèi)壁添加6.0MPa的壓力載荷。

(5)分析結(jié)果

如圖3所示，為筒體的分析結(jié)果。觀察求解結(jié)果可知，筒體由加載前的柱形轉(zhuǎn)變成了鼓形。且最大變形的位置位于筒體的中部，也就是圖示的鼓出最明顯區(qū)域，其最大變形量是0.026957mm。

圖3 筒體的變形分析

2.2 筒蓋的變形分析

筒蓋的變形分析過程按照前面筒體同樣的步驟進行，最后得出筒蓋的分析結(jié)果，如圖4所示。觀察求解結(jié)果可知，筒蓋由加載前的平整狀轉(zhuǎn)變成了凸起狀，且最大變形的位置位于筒蓋的中心區(qū)域，也就是圖示的凸起最明顯區(qū)域，其最大變形量是0.052568mm。

圖4 缸蓋的變形分析

2.3 壓力筒的整體變形分析

考慮到變形分析的精確度，現(xiàn)將筒體和筒蓋裝配起來進一步做變形分析。首先把深海壓力筒的裝配模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中，然后采用GLUE命令把筒體和筒蓋、螺栓與筒體、螺栓與筒蓋等接觸的部位進行粘接，接著在深海壓力筒的內(nèi)壁添加6.0MPa的壓力載荷，最后通過分析可求得結(jié)果，如圖5所示。

圖5所示的是在6.0MPa的壓力下，壓力筒的變形分析結(jié)果，在分析時不需要考慮壓力表的變形情況，所以這里只觀察壓力筒的變形結(jié)果，分析圖5(a)可以得出，壓力筒的最大變形量位于筒蓋的中心區(qū)域，也就是圖5(a)所示的筒蓋凸起最明顯區(qū)域，且最大變形量是0.050687mm，筒蓋的平均變形量約是0.031mm；筒體的最大變形量位于筒體的內(nèi)壁，在左圖中難以直接觀察其變形的結(jié)果，因此需要將筒體單獨抽離出來分析結(jié)果，如圖5(b)所示，得出筒體的最大變形量位于筒體內(nèi)壁的中間區(qū)域，也就是圖5(b)所示的鼓出最明顯區(qū)域，且最大變形量是0.020174mm，筒體的平均變形量約是0.015mm。由以上分析結(jié)論可知，深海壓力筒裝配體的變形分析結(jié)果比前面2.1、2.2小節(jié)單獨分析的結(jié)果要小，所以從深海壓力筒模擬系統(tǒng)的可靠性考慮，后面的變形分析均以裝配體為分析對象。

圖5 壓力筒的變形分析

3 結(jié)果與分析

3.1 不考慮變形時，活塞進給量與壓力的關(guān)系

加壓系統(tǒng)的主要參數(shù)如表2所示。

表2 加壓系統(tǒng)的主要參數(shù)

通過活塞的進給使得液體壓縮，能夠起到加壓的作用。根據(jù)液體的可壓縮性條件，可得：

ΔV′=kVP=VL

(1)

其中，k——液體壓縮系數(shù)，MPa-1。

V——液體的初始體積，mm3。

ΔV′——在壓力P的作用下，液體體積壓縮量，mm3。

VL——活塞進給一定行程所對應(yīng)的體積，VL=L1A1+L2A2，mm3。

其中，L1、L2——大、小活塞的進給行程，mm。

A1、A2——大、小活塞的截面積，mm2。

從而得到活塞進給量與壓力之間的關(guān)系：

(2)

其關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 不考慮變形時，活塞進給量與壓力的關(guān)系

圖6所示，上側(cè)的方框線是大活塞進給時，進給量與壓力之間的關(guān)系曲線，下側(cè)的圓點線是小活塞進給時，進給量與壓力之間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出小活塞進給所引起的壓力筒內(nèi)部壓力的變化比大活塞進給小一個數(shù)量級，且活塞的進給量與壓力之間的關(guān)系在0～150mm范圍內(nèi)近似成線性關(guān)系，因此可以通過此關(guān)系曲線進行精確的壓力控制。

3.2 考慮變形時，活塞進給量與壓力的關(guān)系

變形前的容積：

V=πr2h

(3)

其中，r——壓力筒內(nèi)徑，mm。

h——壓力筒內(nèi)高，mm。

變形后的容積：

(4)

其中，f(h)——不同高度處壓力筒內(nèi)徑，mm

Δh——筒蓋的伸長量，mm

從而總的變形量為：

(5)

由于壓力筒的體積變形較小，所以可以把壓力筒的變形簡化為是軸向和徑向的變形。從而得到，簡化模型的變形量ΔV為：

ΔV=π(r+Δr)2(h+Δh)-πr2h

(6)

其中，Δr——在某壓力下，筒體內(nèi)徑脹大量，mm。

Δh——在某壓力下，筒蓋內(nèi)部伸長量，mm。

通過前述變形分析已經(jīng)得到：在6MPa的壓力環(huán)境下，缸體圓筒部分的平均變形量約為0.015mm，缸蓋的平均變形量約為0.031mm。故軸向變形量：Δh=0.031mm，徑向變形量：Δr=0.015mm。代入公式(6)計算得出壓力筒的變形量ΔV≈5892mm3。

以上分析的是6MPa壓力下，壓力筒的變形情況。按照同樣的步驟通過ANSYS分析軟件對壓力筒裝配體進行變形分析，分析出0～6MPa范圍內(nèi)，不同壓力下壓力筒的軸向平均變形量Δh和徑向平均變形量Δr，繼而得出在不同壓力下壓力筒的變形量ΔV，如表3所示。

表3 不同壓力下壓力筒的變形結(jié)果

由上表可知，壓力越大，壓力筒的變形量越大。從而，為了得到目標(biāo)壓力，不僅應(yīng)考慮液體壓縮對壓力的影響，同時還需考慮壓力筒變形對壓力的反向影響。因此可以得出結(jié)論：要想模擬更深的海下壓力環(huán)境，需要考慮壓力筒的變形情況。

此時液體體積壓縮量公式應(yīng)修正為：

ΔV′=VL-ΔV

(7)

從而得到修正后的活塞進給量與壓力之間的關(guān)系：

(8)

其曲線，如圖7所示。

圖7 考慮變形時，活塞進給量與壓力的關(guān)系

觀察圖7可知，考慮壓力筒變形時，大活塞進給至160mm以上其壓力才可以達到6MPa,小活塞進給時，壓力值變化微小。對比圖6，加壓至相同的目標(biāo)壓力值，考慮壓力筒變形時活塞所需進給量更大。因此也驗證了前面的結(jié)論：利用壓力筒模擬深海環(huán)境時，還需考慮壓力筒的變形對壓力的反向影響。

4 結(jié)論

(1)為了提高深海壓力筒的模擬精度，基于液體的可壓縮性提出了一種可以測量微小水壓變化的雙液壓缸式深海壓力筒的設(shè)計方案。該加壓方案通過大小活塞進給實現(xiàn)，其中大活塞進給加壓時可以使壓力裝置內(nèi)部快速達到目標(biāo)壓力值范圍，小活塞進給加壓可以精準(zhǔn)控制微小壓力，從而達到高精度模擬深海壓力環(huán)境的目標(biāo)。

(2)通過深海壓力筒的變形分析，得出在0～6.0MPa的壓力范圍內(nèi)，不同壓力下壓力筒的變形量ΔV也不同，所以為了得到目標(biāo)壓力值，不僅應(yīng)考慮液體壓縮對深海壓力筒內(nèi)部壓力的影響，同時還需考慮深海壓力筒變形對其內(nèi)部壓力的反向影響。