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        深海中厚球殼受力分析及設(shè)計(jì)

        2014-11-11 03:17:51宛興旺朱贈友周旭王煒方畢瑋
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2014年25期
        關(guān)鍵詞:受力分析

        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(qiáng)、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(xiàng)目主要通過Patran/Nastran軟件進(jìn)行建模并受力分析。該文將對項(xiàng)目的工作過程及取得成果做一個(gè)簡單的介紹,并且基于有限元的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì),提出了計(jì)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(jì)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(shí)體單元HEX8(8節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)3個(gè)自由度),取二分之一球體作分析,劃分了1440個(gè)單元,共計(jì)3172個(gè)節(jié)點(diǎn),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(diǎn)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(diǎn)來看,取整體受到壓強(qiáng)為100 MPa。

        2 利用Patran模型計(jì)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(jì)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(shí)際情況,一般球殼均為兩個(gè)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(jì)算值不滿足深潛器中厚耐壓球殼模擬計(jì)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(qiáng)度滿足要求。但由材料的強(qiáng)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(jì)算公式為。

        參考文獻(xiàn)

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        [3] 李邦國,路華鵬,胡仁喜.Patran 2006與Nastran 2007有限元分析實(shí)例指導(dǎo)教程[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2008:277-309.

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