龔紅英 王斯凡 吳璐 權(quán)非 李會肖

【摘要】蛟龍?zhí)栞d人潛水器在2012年完成7000米級海上試驗并最終下潛7062m。在此深度條件下，蛟龍?zhí)柍惺苤薮蟮纳钏畨毫?，其抗壓外殼的材料選擇尤為重要。本論文分別采用主應(yīng)力法和有限元法對建立的蛟龍?zhí)柾鈿つＰ瓦M(jìn)行了理論分析，模擬了蛟龍?zhí)柨箟和鈿さ膽?yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，并且對比了兩種方法得出的不同試驗結(jié)果進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】蛟龍?zhí)枬撍?主應(yīng)力法 有限元法

【基金項目】本論文得到上海工程技術(shù)大學(xué)課程建設(shè)項目（項目編號：k201105004）以及上海工程技術(shù)大學(xué)研究生創(chuàng)新項目（項目編號：13KY0512）大力支持。

【中圖分類號】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）02-0252-01

1. 蛟龍?zhí)栞d人潛水器研制簡介

蛟龍?zhí)栞d人潛水器是國家863計劃重大專項成果之一，2002年6月科技部正式批復(fù)立項，于2012年6月～7月期間完成7000米級海上試驗，最終取得成功[1]。蛟龍?zhí)栞d人潛水艙能夠搭載3位潛航員進(jìn)行深潛作業(yè)，其最大下潛深度達(dá)7062米，在7000米的巨大水壓下，要保證深潛順利進(jìn)行以及潛航員的正常生存活動，蛟龍?zhí)柕臍んw材料需要滿足一定的抗壓要求。本文將把蛟龍?zhí)栞d人潛水器的外殼近似成一個簡單的橢球型幾何模型，通過塑性成形理論中的主應(yīng)力法和有限元法，分別對蛟龍?zhí)栐谒率艿降膽?yīng)力應(yīng)變特性進(jìn)行理論分析。

2.蛟龍?zhí)栞d人潛水器外殼材料

蛟龍?zhí)柨箟和鈿さ牟牧蠟锽T22超堅韌鈦合金，其化學(xué)成分為Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，該合金在退火狀態(tài)下具有很高的強度水平，可以達(dá)到1080MPa，采用強化處理，強度還可達(dá)到1300MPa，BT22鈦合金是現(xiàn)有鈦合金中退火強度最高的合金，并且淬透性極佳，適合制造飛機(jī)的大型承力構(gòu)件[2～5]。

3.基于主應(yīng)力法進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析

蛟龍?zhí)枌嶋H尺寸為8.2×3×3.4m的不規(guī)則形狀，首先將蛟龍?zhí)柦瞥蓃 =1.6m，L=8.2m的橢球殼體模型，如圖1所示。蛟龍?zhí)柾鈿さ臋E球殼體3D幾何模型，見圖2（a）所示。

圖1 蛟龍?zhí)枌嶓w及近似橢球殼體幾何模型

蛟龍?zhí)栕畲笙聺撋疃葹?062.68m，承受海水壓力P=69.2MPa，另外艙內(nèi)維持一個大氣壓P'=0.1MPa。主應(yīng)力法取圓筒中間部分微元，經(jīng)分析微元受力為三向壓應(yīng)力狀態(tài)。采用BT22鈦合金（強度取1105MPa），由于潛水員下潛過程中處于艙體內(nèi)部，因此必須保障潛水器內(nèi)表面不發(fā)生塑性變形。根據(jù)米塞斯屈服準(zhǔn)則和屈雷斯加屈服準(zhǔn)則，見公式（1）和公式（2），最終計算出抗壓外殼內(nèi)表面的最少厚度，計算結(jié)果如表1所示。

屈雷斯加屈服準(zhǔn)則：σ1-σ2=σs

米塞斯屈服準(zhǔn)則：（σ1-σ2）2+（σ2-σ3）2+（σ3-σ1）2=2σs2

其中：σ1=σθ=■，σ2=σz=■=■

表1 采用主應(yīng)力法計算潛水器抗壓外殼的最小厚度

根據(jù)表1計算數(shù)據(jù)可以看出：由于采用了高強度的BT22鈦合金為艙體外殼材料，使得載人潛水器的抗壓外殼的厚度要求能夠大幅度下降，這樣可以在保證整體體積不變的前提下擴(kuò)大艙內(nèi)容積，可以設(shè)置更多的設(shè)備和空間，更加有利于水下科學(xué)研究。其次鈦合金密度小，因而制造出的蛟龍?zhí)栞p，減少了維持潛水艇懸浮的動力設(shè)備。根據(jù)如圖1所示主應(yīng)力分析并經(jīng)過計算，以內(nèi)表面為分析對象，計算出橢球型抗壓外殼厚度最小值為79.6mm。橢球殼體模型能夠以最小的表面積包容最大的體積，同時受力更均勻，因而抗壓性能好。

4.基于有限元法進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析

通過UGNX建立載人潛水器CAE分析模型及經(jīng)過CAE分析獲得到應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果情況，如圖2所示。

（a）3D幾何模型 （b）采用BT22鈦合金材料進(jìn)行CAE分析

圖2 進(jìn)行UGNX3D建模及CAE分析

從圖2可以看出，在69.2MPa的水壓下，94.2mmBT22鈦合金外殼在圓筒中間部分沒有因發(fā)生塑性變形而失效，但是在圓筒兩端部分，筒壁發(fā)生彎曲，筒壁和端蓋的邊緣部分彎曲最為嚴(yán)重。

下面基于兩種塑性成形理論對獲得的結(jié)果進(jìn)行分析：

（1）應(yīng)力狀態(tài)不同。在筒壁和端蓋的邊緣部分，由于存在構(gòu)件支撐，所以該處的微元處了受到三向壓應(yīng)力意外，還會受到一個徑向的切應(yīng)力，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，所以導(dǎo)致在臨界厚度條件下材料發(fā)生塑性變形。

（2）近似計算誤差。在使用主應(yīng)力法分析模型時，由于假設(shè)了橢球殼體的壁厚遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于殼體半徑，徑向壓力沿著筒壁線型變化。但是在實際中壓應(yīng)力的分布應(yīng)遵循拉梅方程，因而在近似計算過程中存在誤差。

（3）方法誤差。在使用主應(yīng)力法分析時，計算的準(zhǔn)則是米塞斯屈服準(zhǔn)則以及屈雷斯加屈服準(zhǔn)則，因而只考慮了屈服強度的影響。但是在圓筒模型端蓋與筒壁邊緣部分存在彎曲力，沒有考慮材料抗彎強度，所以在這里引入了誤差。

（4）此外主應(yīng)力法和有限元法兩種方法存在較大差異。主應(yīng)力法局限較大，而有限元法更加精確，所以實際情況更加貼近于有限元法的計算結(jié)果。

5.結(jié)論

（1）根據(jù)屈雷斯加屈服準(zhǔn)則，蛟龍?zhí)枅A筒模型抗壓外殼最小厚度94.2mm（材料：BT22鈦合金），對照有限元模擬試驗結(jié)果，這個厚度可確保蛟龍?zhí)柾鈿つ茉?062m的深水壓力下不被壓潰。

（2）由于主應(yīng)力法是一種近似解析法，存在近似計算的誤差、應(yīng)力狀態(tài)不同造成的誤差和屈服準(zhǔn)則的誤差，導(dǎo)致主應(yīng)力法在準(zhǔn)確程度上比有限元法差很多。因此隨著技術(shù)的發(fā)展，在產(chǎn)品設(shè)計之前進(jìn)行有限元模擬試驗分析，可以更好地優(yōu)化工藝。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔維成，劉峰，胡震，等. 蛟龍?zhí)栞d人潛水器的7000米級海上試驗[J]. 船舶力學(xué). 2012，16（10）：1131-1143.

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[3]董湘懷. 金屬塑性成形原理[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社. 2011.

[4]羅雷，毛小南，楊冠軍，等. BT22鈦合金簡介[J]. 材料熱處理技術(shù). 2009，7：14-16.

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作者簡介：

龔紅英，副教授，工學(xué)博士。