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        深水密封連接器密封殼體耐壓強(qiáng)度的分析與設(shè)計(jì)

        2023-01-18 08:47:38孫曉軍張海生
        機(jī)電元件 2022年6期
        關(guān)鍵詞:臨界壓力外壓圓筒

        湯 振,孫曉軍,江 浪,郎 紅,張海生

        (中航光電科技股份有限公司,河南洛陽宇文愷街26號,471000)

        1 前言

        近年來我國海洋裝備技術(shù)從淺海向深海的發(fā)展表現(xiàn)的十分活躍,奮斗者號已經(jīng)能夠在海洋最深處工作試驗(yàn)。深水密封連接器在海洋裝備上應(yīng)用廣泛,工作深度也越來越深,由于設(shè)計(jì)工作中缺少直接詳細(xì)的參考文獻(xiàn),有時(shí)候?qū)B接器耐壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)的分析計(jì)算不充分,會(huì)出現(xiàn)殼體耐壓強(qiáng)度不足,在深水壓力作用下導(dǎo)致殼體變形失效,或者過分進(jìn)行設(shè)計(jì),殼體厚度超厚、重量增加。本文介紹一種殼體壁厚的計(jì)算方法,便于深水密封連接器殼體耐壓強(qiáng)度的分析計(jì)算。

        圖1 大水壓試驗(yàn)中殼體變形現(xiàn)象

        2 深水密封連接器密封結(jié)構(gòu)

        深水密封連接器的結(jié)構(gòu)通常設(shè)計(jì)成圓筒形,包括插頭密封殼體、插座密封殼體、密封端蓋、○形密封圈、尾部線纜硫化密封體。通過這些零部件,將接觸件、電纜端頭密封在耐壓腔體內(nèi),實(shí)現(xiàn)光電信號在水下的連接,如圖2。

        圖3 插座結(jié)構(gòu)示意圖

        以深水密封連接器插座為例進(jìn)行分析,其由密封蓋、密封殼體、○形圈組成,如圖3。為了便于研究殼體的受力情況,把帶密封端蓋的連接器殼體簡化為外壓圓筒,如圖4,分別研究外壓圓筒和端蓋耐壓能力的設(shè)計(jì)。

        圖4 外壓圓筒

        3 殼體外壓圓筒和端蓋受力分析

        3.1 外壓圓筒

        外壓圓筒耐壓性能的設(shè)計(jì)應(yīng)符合薄壁圓筒殼體的耐壓強(qiáng)度計(jì)算。薄壁圓筒殼體承受外壓作用時(shí),在殼壁內(nèi)會(huì)產(chǎn)生壓縮薄膜應(yīng)力,殼體的失效形式可能有兩種:一種是由于強(qiáng)度不足而發(fā)生壓縮破壞;另一種是由于剛度不足而發(fā)生失穩(wěn)破壞(突然失去原來形狀),橫截面由圓形變成在周向呈現(xiàn)波紋狀,見圖5。按照直徑、壁厚及長度不同,分為長圓筒、短圓筒和剛性圓筒三種計(jì)算模型,其失效情況也有所不同。

        圖5 外壓圓筒失穩(wěn)后被壓癟的實(shí)例及圓筒

        a. 長圓筒:指筒體的長徑比L/D值較大,兩端端蓋對其中間部分起不到加強(qiáng)支撐作用,筒體的臨界壓力Pk與圓筒的長度無關(guān),只與筒體材料的機(jī)械性能(E、μ)和筒體的厚徑比S/D有關(guān)。其失效形式為外壓容器失穩(wěn),橫截面由圓形變成波形,波數(shù)等于2(圖5a)。

        長圓筒的臨界壓力Pk可用Bress公式計(jì)算,即:

        (1)

        式中: μ——圓筒材料的泊松比,鋼制材料取μ=0.3

        S——圓筒的計(jì)算壁厚,mm

        D——圓筒的直徑,mm

        E——圓筒材料的彈性模量,MPa

        將μ=0.3代入式(1)后,

        (2)

        如果水壓力為P,則長圓筒的強(qiáng)度條件為:Pk≥ P。由此可求得長圓筒的壁厚公式為:

        從安全性考慮,零件設(shè)計(jì)時(shí)建議取2倍以上壁厚計(jì)算值,于是得到長圓筒的計(jì)算公式:

        式中: n——安全系數(shù),建議n≥ 2

        P——水壓力,MPa

        b. 短圓筒:指圓筒兩端端蓋對其中間部分可起加強(qiáng)支撐作用,其臨界壓力與圓筒長度成反比,筒體失穩(wěn)時(shí)的臨界壓力Pk不僅與筒體材料的機(jī)械性能(E、μ)、筒體的厚徑比S/D有關(guān),而且也與筒體的長徑比L/D有關(guān)。其失效形式也是外壓容器失穩(wěn),橫截面變成波形,波數(shù)大于等于3(圖5b、c、d……)。短圓筒的臨界壓力Pk可用Laime簡化公式,即:

        (4)

        如果水壓力為P,則短圓筒的強(qiáng)度條件Pk≥ P,由此可求得短圓筒的壁厚公式為:

        同樣,零件設(shè)計(jì)時(shí)建議圓筒的壁厚比計(jì)算值大2倍以上。于是短圓筒壁厚的計(jì)算公式:

        (5)

        式中: n——安全系數(shù),建議n≥ 2

        L——短圓筒的計(jì)算長度,mm

        區(qū)分長、短圓筒的界限,用臨界長度Lkcd表示 。根據(jù)公式(2)、(4),令長圓筒與短圓筒的臨界壓力值Pk相等,可求出長圓筒與短圓筒的臨界長度Lkcd:

        (6)

        當(dāng)圓筒計(jì)算長度L>Lkcd時(shí),按長圓筒公式計(jì)算。 反之,按短圓筒公式計(jì)算。

        c. 剛性圓筒:指筒體的長徑比L/D較小而厚徑比S/D較大的圓筒。由于筒體的相對厚度較大,故筒體的剛性較好,不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。其失效原因是在外壓作用下,在筒體壁內(nèi)產(chǎn)生的壓應(yīng)力超過材料的屈服極限所致,利用第一強(qiáng)度理論和第四強(qiáng)度理論,可以得到:

        σ=DP/2S

        (7)

        剛性筒的臨界壓力為:

        Pk=2SσS/D

        (8)

        則剛性筒壁厚的計(jì)算公式:

        S=nDP/2σS

        (9)

        式中: n——安全系數(shù),建議n≥ 2

        σS——韌性材料的屈服極限,對脆性材料計(jì)算時(shí)以抗壓強(qiáng)度代替

        區(qū)分短圓筒、剛性圓筒界限的臨界長度用Lkdg表示,根據(jù)公式(4)、(8),令短圓筒的臨界壓力值Pk與剛性筒的最大外壓力Pmax相等,可求出短圓筒與剛性筒的臨界長度Lkdg:

        (10)

        當(dāng)圓筒計(jì)算長度L>Lkdg時(shí),按短圓筒公式計(jì)算。 反之,按剛性圓筒公式計(jì)算。

        3.2 端蓋

        連接器密封端蓋相當(dāng)于一塊四周被固定牢固的實(shí)心圓板,其失效模式是塑形彎曲變形或者斷裂,設(shè)計(jì)時(shí)需要計(jì)算圓板受到的最大最大彎曲應(yīng)力。截面徑向應(yīng)力σr和軸向應(yīng)力σθ,可按下式計(jì)算 :

        (11)

        (12)

        式中:t——端蓋厚度,mm

        r——端蓋任一點(diǎn)的徑向坐標(biāo)值

        μ——端蓋材料的泊松比

        由式(11)和式(12),可知σr和σθ最大時(shí),r=D/2,此時(shí)

        (13)

        (14)

        由(式13)、式(14)得:

        σθmax=μ·σrmax=0.3σrmax

        所以,端蓋所承受的最大應(yīng)力為截面最大徑向應(yīng)力σrmax,即

        (15)

        若材料的屈服強(qiáng)度為σs,則其強(qiáng)度的條件為σrmax≤σs,由式(15)可求得端蓋厚度:

        (16)

        從安全性考慮,設(shè)計(jì)時(shí)端蓋的厚度需要比計(jì)算值大,建議最小取2倍。于是得到端蓋厚度的計(jì)算公式:

        (17)

        式中: n——安全系數(shù),一般n=2~5

        4 殼體壁厚和端蓋設(shè)計(jì)計(jì)算

        在設(shè)計(jì)深水密封連接器的壁厚時(shí),只需要使用公式(3)(5)(9)(17)進(jìn)行計(jì)算即可,其他公式可以作為深入分析時(shí)使用。首先確定屬于哪一類殼體類型,選用合適的公式。

        例1 設(shè)計(jì)一款水密連接器,用于全海深環(huán)境,采用不銹鋼殼體,插座殼體的外徑50mm,法蘭盤外側(cè)計(jì)算長度70mm,插頭計(jì)算長度120mm,與插座插合后總計(jì)算長度150mm。計(jì)算需要設(shè)計(jì)的壁厚是多少?

        該設(shè)計(jì)應(yīng)計(jì)算3種情況:①計(jì)算插頭插座插合時(shí)殼體的壁厚,②插座密封端蓋壁厚,③插頭端蓋壁厚。我們先以第1種情況為例計(jì)算。

        查材料手冊,316L奧氏體不銹鋼材料的彈性模量E=190000MPa,抗拉強(qiáng)度480MPa,屈服強(qiáng)度σs=177MPa。

        全海深環(huán)境下,計(jì)算時(shí)水壓設(shè)為115MPa。由于插頭插座插合后實(shí)現(xiàn)密封,我們按照長圓筒壁厚計(jì)算公式(3)進(jìn)行計(jì)算,取n=2。

        所以全海深下直徑50mm不銹鋼材質(zhì)連接器的殼體壁厚設(shè)計(jì)為6.5mm。

        例2 計(jì)算上述插座密封端蓋的厚度。

        由端蓋厚度的計(jì)算公式(17)進(jìn)行計(jì)算,取n=2。

        所以全海深下直徑50mm不銹鋼材質(zhì)連接器的端蓋厚度設(shè)計(jì)為34.7mm。

        按照以上計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)的零件,在水壓試驗(yàn)中都保持完好,沒有失效情況。

        例3 分析被壓變形的端蓋零件:端蓋零件直徑為30mm,試驗(yàn)水壓30MPa,端蓋厚度為2mm,材料為316L奧氏體不銹鋼。

        從材料的屈服強(qiáng)度計(jì)算,由式(16),在30MPa水壓下,直徑為30mm的端蓋厚度的最小值為:

        t≥0.43×30×(30/177)0.5=5.3

        因?yàn)樵松w設(shè)計(jì)厚度2mm小于5.3mm,所以端蓋屈服強(qiáng)度不夠引起變形。

        從端蓋的剪切強(qiáng)度計(jì)算,在30MPa水壓下,直徑為30mm直徑的端蓋受到的壓力為:

        F=PA=30×π×152=21195 N。

        直徑30mm,厚度2mm的端蓋圓周能夠承受的剪切力:

        F′=π×30×2×480×0.6=54286 N(0.6為金屬材料剪切系數(shù))。

        可以看出,F(xiàn)′>F,端蓋剪切強(qiáng)度滿足要求,所以端蓋沒有被壓裂。

        將該失效端蓋厚度按照2倍安全系數(shù)進(jìn)行加厚計(jì)算設(shè)計(jì),通過耐靜水壓試驗(yàn)后完好。

        5 總結(jié)

        本文對深水密封連接器的耐壓殼體在水壓下的失效形式進(jìn)行了分析,給出了長圓筒、短圓筒和剛性圓筒三種計(jì)算模型的壁厚計(jì)算公式,以及密封端蓋厚度的計(jì)算公式。通過實(shí)例分析計(jì)算,經(jīng)過驗(yàn)證,該設(shè)計(jì)計(jì)算方法能夠有效指導(dǎo)深水密封連接器殼體壁厚的設(shè)計(jì),為深水密封連接器耐壓強(qiáng)度的設(shè)計(jì)提供一種科學(xué)的計(jì)算方法。

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