1.深海载人潜水器耐压球壳极限强度研究

!"#,-".*"$ !%& %’
" #
’"# ("#
/
0/1
式中 !%& %’ 是材料由材料正割模数和正切模数得到的双模量 ! "$ 是制造影响系数 ! ’"# 是临界弧长上 的壳板平均厚度 ! ("# 是球壳外表面的局部曲率半径 " 根据泰勒水池求解球壳的临界压力值还需结合
!)*("# 23’"#!联立非线性方程组 !具体求解方法可参看文献)44+"
" 理论基础
当结构所受载荷达到某一值时 " 若增加一微量 " 结构的平衡位置将发生很大的改变 " 这种情况叫 做结构失稳或屈曲 "相应的载荷称为屈曲载荷或临界载荷 # 结构失稳后的承载能力可能增加 " 也可能 减小 " 这与载荷的种类 & 结构的几何特征等因素有关 # 对于均匀受压的厚球壳存在一个极大载荷值 "超 过此极限值后 " 结构的承载能力就会迅速下降 " 同时伴有很大的变形 " 此极值载荷就是深海载人潜水 器耐压球壳极限强度 #
()))* 载人潜水器 & 日本 $+,"-./" (0))%(0))* 载人潜水器 & 法国 $1/23"45% 号 ()))* 载人潜水器 " 以及
目前美国正在改造的 $647"-%80))* 载人潜水器 # 深海载人潜水器的耐压球壳是保证潜水器和人员安全的关键部件 " 它的设计好坏直接关系到潜 水器总体性能和重量指标 # 目前 "国际上 ()))* 以上的载人深潜器共有 ( 艘 "大部分采用高强度钛合 金材料 "为球壳结构 " 厚度半径比皆大于 09 " 属于厚壳 " 其中日本 $+,"-./" (0)) % 厚度半径比超过 :9 # 值得指出的是 " 决定耐压壳体厚度的主要因素除材料以外 " 还有耐压壳体的极限强度 # 如果在设计大 深度耐压球壳时 " 能够比较准确地计算出球壳的极限强度 " 就可以既保证好潜水器耐压壳稳定性 " 又 尽量减小耐压壳体的厚度 " 而厚度的减少可得到较小的重量排水比 " 最终可转化为更大的负载 " 更长 的航程 "和更强的生存能力 # 对现有的潜水器耐压壳的研究主要都围绕薄壳结构 " 以经典理论为主 " 考虑初始缺陷下球壳的极 限强度;8$0<# 对于工作深度在 ()))* 以上的载人潜水器 " 其厚度半径比较大 " 已属于厚壳范围 " 国际上还 没有均匀外压下厚球壳的解析解 " 只有 () 年代美国海军耐压球壳设计经验公式 ;8< 和俄罗斯相关的公 式;(<可以参考 "不仅如此 " 相关的实验难度极大且代价高 " 以致现有的实验数据也极少 # 因此本文基于 有限元的分析方法 "对大深度载人潜水器耐压球壳极限强度进行了研究 #
’(*%)+%!
文献标识码 ! ,
!"#$%&#’ (#)*+,#- ./ 0)*((1)* (0-*)$2&" -1"" $+ 34405(46 %6++47 (18%4)(98"4(
!" #$%!& !’" ()*"& +"’ ,$%-./$01"
-! ./0112 13 45652 ,7/089:/9;7: 5<= >/:5< ?<@8<::78<@A .05<@058 B851 C1<@ ’<86:7D89EF .05<@058 "###$#F G08<5H " G08<5 .08I ./8:<9838/ J:D:57/0 G:<9:7F K;L8 "!%#&"F G08<5M
泰勒水池试验研究主要以深潜系统耐压艇体为对象 ! 所以试验的球壳厚度半径比小于深海载人 潜水器相应的比例 #如果球壳厚度半径比较大 ! 对该公式进行延伸 ! 结果是否符合实际情况还不清楚 " 下文简称该公式为泰勒水池公式 "
!"# 俄罗斯深海潜水器耐压壳的临界压力公式 567689:;< 是俄罗斯 #$<:ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ> 造船研究院的结构专家 " 他在 ?@7@$A4 上提出了深海潜水器耐压壳的
3
" 4F " 3".F, ! $ , !3EC $ ,4 ! $)$4E ! " ,4E !4F!!3 % 下文简称该公式为俄罗斯公式 % $ $4 " !! $ 4F, ! $ 4F "
收稿日期 &"##$Q#&Q"+
作者简介 & 陆 蓓 ’!+*+Q (" 女 " 上海交通大学船舶与海洋工程学院硕士研究生 %
0’
船舶力学
第 I 卷第 % 期
! 引 言
近年来深海载人潜水器已在深海地质研究 ! 资源调查 ! 深海生物基因研究 ! 热液硫化矿探查等方 面的应用发挥了独特的作用 " 并取得了许多瞩目的成果 # 由于深海载人潜水器的特殊地位和作用 " 发 达国家如美 ! 日 ! 法 ! 俄罗斯等早已大力开展深海载人潜水器的研制工作 " 如俄 罗 斯 $!"#$% & ’% 号
第 & 卷第 ! 期 "##% 年 " 月
文章编号 ! !##*Q*"%+#"##%$#!Q##X!Q#&
船舶力学
B1;7<52 13 .08I N:/05<8/D
Y12)& 41)! V:O) "##%
深海载人潜水器耐压球壳极限强度研究
陆 蓓 !"刘 涛 #! 崔维成 #
!! 上海交通大学船舶与海洋工程学院 " 上海 "###$# #" 中国船舶科学研究中心 " 江苏 无锡 "!%#&" $ 摘要 ! 对现有的潜水器耐压壳的研究主要都围绕薄壳结构 " 而深海载人潜水器耐压球壳 " 已属于厚壳的范围 % 国 际上还没有均匀外压下厚球壳的解析解 " 只有美国海军泰勒水池耐压球壳设计公式及俄罗斯相应的公式可以参 考 % 因此本文基于有限元的分析方法 " 对大深度载人潜水器耐压球壳极限强度进行了研究 % 通过对有限元参数的 比 较 "提 出 了 一 个 合 理 的 有 限 元 分 析 模 型 "计 算 结 果 与 实 验 数 据 相 符 "而 泰 勒 水 池 公 式 及 俄 罗 斯 公 式 的 误 差 较 大 % 然后计算了一系列半径厚度比下的耐压球壳的极限强度 " 并研究了初挠度的影响 % 本文认为对于深海载人潜 水器耐压球壳可以直接根据有限元计算确定其极限强度 " 泰勒水池公式和俄罗斯公 式偏于 保 守 # 耐 压 球 壳 经 过 精加工 " 初挠度对于其极限强度的影响不大 % 为了实用起见 " 本文还给出了完善耐压球壳极限强度与经典值的比 值曲线 " 以及初挠度效应曲线 % 关键词 ! 耐压球壳 # 极限强度 # 有限元 # 深海载人潜水器 # 初挠度 中图分类号 ! ’((!)%$
"#" 美国海军泰勒水池耐压球壳设计公式 () 年 代 美 国 海 军 在 泰 勒 船 模 试 验 池 以 深 潜 系 统 耐 压 艇 体 为 对 象 " 进 行 了 大 量 的 试 验 " 以 6> G#5-H.5 为首的小组 " 对 ’)) 多个球壳模型进行了试验研究 # 他们详细地研究了球壳的形状 & 球壳的局
临界压力的计算公式)B+% & &" & !"#)" % # ’+( $
3 3
0CD
式中 , 为最大初挠度 ! , !),+& 为初挠度系数 !"- $ 为计算系数 !!!)!. +!& 为应力比 % 对于球壳 %,4"3 ! $, ! $4,4E " # !. 是经典理论下球壳的应力 ! !& 是材料的屈服应 $4 E ! " 4F " 3".F, ! $ , !3EC $ $ $4 % !! $ 4F, ! $ 4F " 力% 该公式已经应用于俄罗斯船检载人潜水器与潜水系统建造与入级规范 ! 在保证球壳的应力小于 规 定 的 许 用 应 力 的 前 提 下 ! 它 可 作 为 球 壳 和 近 似 球 壳 的 稳 定 性 校 核 公 式 % 当 , ! ,G 时 !$ 4 ,4E
部几何形状与其破坏强度的关系 # 证明了球壳的极限强度与名义半径和壳厚的关系比 " 主要与球壳
第4期
陆 蓓等 ’ 深海载人潜水器耐压球壳极限强度研究
OC
的局部平点或薄点有关 ! 即球壳的极限强度取决于它的局部半径和该处的平均板厚 ! 也就是与局部的 几何形状有关 " 通过对实验结果的分析 !!"#$%&’(% 等提出按下式来计算球壳的临界压力值)*+"
"#! 经典理论
受外压薄球壳最早的理论公式是由 =>?@544A 在 %B%0 年用小变形假定导出 " 称为经典理论 " 结果 由下式表示 #
’