深海壓力筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與變形分析

吳建美，王 勇

(1.安徽三聯(lián)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)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(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行測(cè)試，隨著水下資源的進(jìn)一步開發(fā)，對(duì)深海模擬實(shí)驗(yàn)裝置的精度提出了更高的要求[1-4]，因此設(shè)計(jì)一種精確性較高的深海壓力模擬裝置具有重要意義。文獻(xiàn)[5-6]采用液壓泵和電液伺服閥進(jìn)行壓力控制，但由于受到電液伺服閥自身控制精度和電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的影響，很難實(shí)現(xiàn)較高精度的壓力控制。文獻(xiàn)[7-8]通過活塞進(jìn)給壓縮模擬裝置內(nèi)的液體容積進(jìn)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(shí)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(jìn)給實(shí)現(xiàn)，其中大活塞進(jìn)給加壓時(shí)可以使壓力裝置內(nèi)部快速達(dá)到目標(biāo)壓力值范圍，小活塞進(jìn)給加壓可以精準(zhǔn)控制微小壓力，從而達(dá)到高精度模擬深海壓力環(huán)境的目標(biāo)。

1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了減小因?yàn)閴毫Σ▌?dòng)帶來的誤差問題，研制了一種可以測(cè)量微小水壓變化的雙液壓缸式深海壓力筒，能夠用于對(duì)水下儀器設(shè)備的研究。本裝置可實(shí)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(dòng)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(dòng)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(jìn)給實(shí)現(xiàn)0～6.0MPa的精確加壓需求，其中大活塞進(jìn)給加壓時(shí)可以使壓力裝置內(nèi)部快速達(dá)到目標(biāo)壓力值范圍，小活塞進(jìn)給加壓可以精準(zhǔn)控制微小壓力，從而達(dá)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(huì)引起整個(gè)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(duì)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(shí)體，故選用實(shí)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(jìn)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(duì)網(wǎng)格的質(zhì)量進(jìn)行細(xì)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(jìn)行分析求解。根據(jù)筒體的約束和受載情況需要對(duì)24個(gè)螺栓孔添加徑向約束、對(duì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(dú)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(dú)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(duì)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(shí)，活塞進(jìn)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(jìn)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(jìn)給一定行程所對(duì)應(yīng)的體積，VL=L1A1+L2A2，mm3。

其中，L1、L2——大、小活塞的進(jìn)給行程，mm。

A1、A2——大、小活塞的截面積，mm2。

從而得到活塞進(jìn)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(shí)，活塞進(jìn)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(jìn)給時(shí)，進(jìn)給量與壓力之間的關(guān)系曲線，下側(cè)的圓點(diǎn)線是小活塞進(jìn)給時(shí)，進(jìn)給量與壓力之間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出小活塞進(jìn)給所引起的壓力筒內(nèi)部壓力的變化比大活塞進(jìn)給小一個(gè)數(shù)量級(jí)，且活塞的進(jìn)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(jìn)行精確的壓力控制。

3.2 考慮變形時(shí)，活塞進(jìn)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(jì)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(duì)壓力筒裝配體進(jìn)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(duì)壓力的影響，同時(shí)還需考慮壓力筒變形對(duì)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(shí)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(jìn)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(shí)，活塞進(jìn)給量與壓力的關(guān)系

觀察圖7可知，考慮壓力筒變形時(shí)，大活塞進(jìn)給至160mm以上其壓力才可以達(dá)到6MPa,小活塞進(jìn)給時(shí)，壓力值變化微小。對(duì)比圖6，加壓至相同的目標(biāo)壓力值，考慮壓力筒變形時(shí)活塞所需進(jìn)給量更大。因此也驗(yàn)證了前面的結(jié)論：利用壓力筒模擬深海環(huán)境時(shí)，還需考慮壓力筒的變形對(duì)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(cè)量微小水壓變化的雙液壓缸式深海壓力筒的設(shè)計(jì)方案。該加壓方案通過大小活塞進(jìn)給實(shí)現(xiàn)，其中大活塞進(jìn)給加壓時(shí)可以使壓力裝置內(nèi)部快速達(dá)到目標(biāo)壓力值范圍，小活塞進(jìn)給加壓可以精準(zhǔn)控制微小壓力，從而達(dá)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(duì)深海壓力筒內(nèi)部壓力的影響，同時(shí)還需考慮深海壓力筒變形對(duì)其內(nèi)部壓力的反向影響。