宛興旺 朱贈友 周旭 王煒 方畢瑋
摘 要:載人深潛器是探索海底資源、執(zhí)行多種海底任務(wù)的必要設(shè)備,載人艙耐壓球殼是深潛器關(guān)鍵部件,必須使用高比強、高韌性的材料以保證它具有足夠的有效載重和良好的安全性。項目主要通過Patran/Nastran軟件進(jìn)行建模并受力分析。該文將對項目的工作過程及取得成果做一個簡單的介紹,并且基于有限元的優(yōu)化設(shè)計方案,利用Patran/Nastran 軟件對深潛球殼受力過程分析得出合理的厚度半徑比。
關(guān)鍵詞:Patran/Nastran 深潛器 受力分析 耐壓球殼
中圖分類號:U674.941 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2014)09(a)-0212-02
深潛器具有水下觀察和作業(yè)能力的活動深潛水裝置,是人類進(jìn)行深海工作研究的有力技術(shù)工具。而耐壓殼是保證深潛器安全的關(guān)鍵部件,球殼是深潛器的理想承壓結(jié)構(gòu),其應(yīng)用也日益廣泛。一直以來,越來越多的學(xué)者對球殼的承載能力進(jìn)行了研究。
該文基于有限元的優(yōu)化設(shè)計,提出了計算深潛器中厚耐壓球殼的受力分析方案,通過模擬在10000 m水深的受力情況,對耐壓球殼進(jìn)行優(yōu)化,用Patran/Nastran 軟件對深潛球殼受力過程分析得出較為合適的耐壓殼的厚度半徑比。
1 建模與薄殼計算分析
有限元建模分析
(1)模型范圍。
耐壓球殼半徑為1000 mm,厚度為60 mm至150 mm。
(2)結(jié)構(gòu)模擬。
采用MSC.Nastran實體單元HEX8(8節(jié)點,每個節(jié)點3個自由度),取二分之一球體作分析,劃分了1440個單元,共計3172個節(jié)點,邊界條件z=0處,方向固定,結(jié)構(gòu)受外壓100MPa。
(3)單位及材料屬性(表1)。
(4)邊界條件。
由對稱邊界條件得,位于Z=0平面上的節(jié)點XYZ方向的位移固定。
(5)工況。
10000m深水下,深潛器球殼的直徑可以近似忽略,當(dāng)成質(zhì)點來看,取整體受到壓強為100 MPa。
2 利用Patran模型計算分析所得數(shù)據(jù)公式
根據(jù)Patran所建模型圖所知:
2.1 屈曲分析(BUCKLING)(圖1-圖4)
(1)由圖1-圖4可知,理想狀態(tài)下,半球殼失穩(wěn)的臨界應(yīng)力因數(shù)如表2所示。
所繪制曲線圖見圖5。
(2)球殼可承受最大的屈曲應(yīng)力計算公式為:
Max=Factor*Pressure(所給壓力)
結(jié)論如表3。
所繪制曲線圖見圖6。
2.2 非線性靜態(tài)分析(NON-LINEAR SATICT)(圖7-圖10)
由于邊界條件限制和工藝實際情況,一般球殼均為兩個半球相疊加,因此可取圖中最大值為分析值,結(jié)論如表4所示。
所繪制曲線圖見圖11。
所擬合出的函數(shù)表達(dá)式如下。
3 結(jié)語
由分析結(jié)果可知,公式計算值不滿足深潛器中厚耐壓球殼模擬計算值,同一深度下,隨著厚度半徑比的增加,球殼所受最大壓力值逐漸減少,且減緩速率越來越慢。由屈曲應(yīng)力分析結(jié)果可知,材料的強度滿足要求。但由材料的強度和非線性靜態(tài)分析結(jié)果對比可知,中厚球殼仍無法滿足10000m水深下潛要求。
由靜態(tài)受力分析得出中厚球殼的計算公式為。
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