多蛋交接耐壓殼仿生研究

張　建　左新龍　王緯波　唐文獻(xiàn)

1.江蘇科技大學(xué)，鎮(zhèn)江,212000　　2.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，無錫,214082

?

多蛋交接耐壓殼仿生研究

張建1,2左新龍1王緯波2唐文獻(xiàn)1

1.江蘇科技大學(xué)，鎮(zhèn)江,2120002.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，無錫,214082

以鵝蛋殼為生物原型，開展了多蛋交接耐壓殼仿生設(shè)計(jì)及性能研究工作。首先，通過蛋殼生物學(xué)試驗(yàn)，建立了蛋形函數(shù)；其次，對(duì)深海多蛋交接耐壓殼進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立了蛋殼個(gè)數(shù)分別為2、3、4、5、6的數(shù)值模型，研究其臨界屈曲載荷、極限強(qiáng)度載荷和儲(chǔ)備浮力特性；最后，通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析了多蛋交接耐壓殼主要幾何參數(shù)對(duì)其性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：Kitching蛋形函數(shù)與鵝蛋經(jīng)線的吻合程度最高，其長(zhǎng)軸與偏心距之比取45，蛋形系數(shù)取0.69；深海多蛋交接耐壓殼的臨界屈曲載荷遠(yuǎn)大于極限強(qiáng)度載荷，即極限強(qiáng)度載荷為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要因素；蛋形殼個(gè)數(shù)對(duì)極限強(qiáng)度載荷和浮力系數(shù)影響很?。坏靶螝ず穸葘?duì)極限強(qiáng)度載荷和浮力系數(shù)影響較大；加強(qiáng)肋對(duì)浮力系數(shù)影響較小，而對(duì)極限強(qiáng)度載荷影響較大。

耐壓殼；多蛋交接；蛋形函數(shù)；仿生設(shè)計(jì)

0　引言

潛水器是大洋勘查與深?？茖W(xué)研究的重要裝備，作為潛水器的重要組成部分，耐壓殼起著保障下潛過程中內(nèi)部設(shè)備正常工作和人員健康安全的作用，其質(zhì)量占潛水器總重的1/4～1/2。耐壓殼的設(shè)計(jì)對(duì)潛水器安全性、機(jī)動(dòng)性、空間利用率和人機(jī)環(huán)等性能具有重要影響[1-2]。

現(xiàn)役的深海耐壓殼多為單球形，少數(shù)為多球交接結(jié)構(gòu)[3-4]。Pan等[5]對(duì)比分析了現(xiàn)有深水球形耐壓殼的設(shè)計(jì)規(guī)范，通過原型試驗(yàn)和非線性有限元分析，建立了預(yù)測(cè)深海鈦合金球形殼極限強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式。茍鵬等[6]對(duì)多球交接耐壓殼的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題作了研究，總結(jié)了雙球交接耐壓殼的兩種典型破壞模式，提出了三種新的多球交接形式。Liang等[7]采用EIPF(extended interior penalty)和DFP(Davidon-Fletcher -Powell)方法，研究了多球殼連接的大深度潛水器耐壓殼體的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。但這些結(jié)構(gòu)無法最優(yōu)協(xié)調(diào)潛水器的安全性、機(jī)動(dòng)性、空間利用率和人機(jī)環(huán)等特性。例如，對(duì)于單球形耐壓裝備，在實(shí)際受載過程中，由于對(duì)缺陷非常敏感，發(fā)生失穩(wěn)時(shí)的壓力僅為理論值的1/4～1/3[8]，安全性較差；單球形耐壓裝備只能依靠增大球半徑來增大內(nèi)部空間，但半徑的增大會(huì)導(dǎo)致水阻力增大，降低潛水器的機(jī)動(dòng)性；球形耐壓裝備曲率較小且處處相等，導(dǎo)致內(nèi)部設(shè)備布置困難，空間利用率較低，人員舒適性差，進(jìn)而降低潛水器的人機(jī)環(huán)特性。多球形耐壓裝備在一定程度上擴(kuò)大了艙室空間，提高了人員舒適性，但仍然無法克服缺陷敏感度高、空間利用率低等缺點(diǎn)[9-10]。

蛋殼滿足圓頂原理，具有超強(qiáng)的耐壓特性，是一種優(yōu)異的耐壓殼仿生設(shè)計(jì)原型。蛋形耐壓殼體使得潛水器的安全性、流體動(dòng)力學(xué)特性、空間利用率、人機(jī)環(huán)最優(yōu)協(xié)調(diào)成為可能[11-14]。張建[15]研究了千米水深蛋殼仿生耐壓殼的設(shè)計(jì)理論與分析方法，設(shè)計(jì)了6 km水深雞蛋殼、鵝蛋殼仿生耐壓殼，并從儲(chǔ)備浮力、殼內(nèi)空間利用率、流線型、乘員舒適性等方面進(jìn)行綜合比較，得到鵝蛋殼仿生耐壓殼可為深水耐壓設(shè)計(jì)提供有效參考的結(jié)論；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了復(fù)合材料蛋形耐壓殼的力學(xué)特性，通過理論計(jì)算，證明了蛋形耐壓殼綜合性能優(yōu)于球形耐壓殼綜合性能，可最優(yōu)協(xié)調(diào)強(qiáng)度穩(wěn)定性、浮力系數(shù)、空間利用率、人機(jī)環(huán)特性以及水動(dòng)力學(xué)特性，且對(duì)缺陷敏感性低，便于開孔、開窗，在深海潛水器上具有良好的應(yīng)用前景[16]。然而，對(duì)于單蛋形耐壓殼結(jié)構(gòu)的潛水器，其單艙室空間較小，無法滿足深海潛水器開發(fā)的要求，尤其是深?？臻g站。多蛋交接耐壓結(jié)構(gòu)繼承了單一蛋形結(jié)構(gòu)的缺陷敏感度低、安全性高、空間利用率高、人機(jī)環(huán)特性好等優(yōu)點(diǎn)，可在不降低安全性的前提下去除曲率較大的端部，用于開孔連接、開設(shè)艙門和觀察窗，進(jìn)一步提高空間利用率。此外，采用多個(gè)蛋形結(jié)構(gòu)相連的方案，可進(jìn)一步擴(kuò)大艙室空間，提高人機(jī)環(huán)特性，同時(shí)也便于分段制造。采用不同大小蛋形殼體相連的方案，也便于具有流線型輕外殼的布置，減小潛水器流體阻力，提高潛水器的流體動(dòng)力學(xué)特性[17]。

本文開展多蛋交接耐壓殼仿生設(shè)計(jì)及性能研究工作。首先，基于蛋殼生物學(xué)試驗(yàn)建立蛋形函數(shù)，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)多蛋交接耐壓殼結(jié)構(gòu)；接著，建立蛋殼個(gè)數(shù)分別為2、3、4、5、6的數(shù)值模型，研究其臨界屈曲載荷、極限強(qiáng)度載荷和儲(chǔ)備浮力特性；最后，通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析多蛋交接耐壓殼主要幾何參數(shù)對(duì)其性能的影響規(guī)律，并給出不同參數(shù)組合，避免參數(shù)的盲選和反復(fù)試驗(yàn)。

1　蛋殼生物學(xué)試驗(yàn)及結(jié)果分析

1.1蛋形系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

蛋形系數(shù)為蛋殼短軸(B)與長(zhǎng)軸(L)之比(圖1)，是描述蛋殼幾何特征的重要參數(shù)。選取204個(gè)鵝蛋(品種為浙江江山白鵝，鵝齡為1～2年)，使用游標(biāo)卡尺(型號(hào)為530-118/114，量程為0～200 mm，精度為0.01 mm)采集蛋殼的短軸與長(zhǎng)軸值。運(yùn)用線性回歸分析(SPSS)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)描述，獲得蛋形系數(shù)的P-P圖，如圖2所示。經(jīng)分析，認(rèn)為蛋形系數(shù)為正態(tài)分布，其均值為0.69，偏度為-0.01，峰度為2.9。因此，在仿生鵝蛋殼時(shí)，作為優(yōu)選，蛋形系數(shù)取0.69。

圖1　鵝蛋長(zhǎng)短軸

圖2　蛋形系數(shù)P-P圖

1.2蛋殼三維掃描試驗(yàn)

選取10個(gè)鵝蛋，通過ATOSⅡ光學(xué)掃描儀(單幅測(cè)量范圍為500 mm×300 mm；CCD相機(jī)像素為2×2M，分辨率為1624像素×1236像素)獲得其三維模型。隨機(jī)選取沿蛋殼長(zhǎng)軸的三條蛋經(jīng)線，其所在面夾角互為120°，計(jì)算得到三條蛋殼經(jīng)線的相互皮爾遜相關(guān)系數(shù)(PPMCC)，如表1所示。可見，三條蛋殼經(jīng)線的相互皮爾遜相關(guān)系數(shù)均大于0.99，可認(rèn)為蛋殼是高度對(duì)稱的旋轉(zhuǎn)殼。因此，在仿生鵝蛋殼時(shí)，可僅選用一條蛋殼經(jīng)線作為研究對(duì)象。

表1　三條蛋殼經(jīng)線的相互皮爾遜相關(guān)系數(shù)

1.3蛋形函數(shù)選取

蛋形函數(shù)是仿生蛋殼不可或缺的部分?，F(xiàn)有蛋形函數(shù)方程有Kitching蛋形函數(shù)[18]、Brandt蛋形函數(shù)[19]以及N-R蛋形函數(shù)[20]，分別如下所示：

(1)

(2)

(3)式中，e為偏心距(蛋殼質(zhì)心與長(zhǎng)軸中心的距離)；α為點(diǎn)(x，y)和原點(diǎn)的連線與x軸的夾角；β為平面曲率參數(shù),β∈[0,1]。

三種蛋形函數(shù)曲線分別如圖3、圖4、圖5所示。

圖3　Kitching蛋形圖

圖4　Brandt蛋形圖

圖5　N-R蛋形圖

運(yùn)用ORIGIN軟件，求得一條蛋經(jīng)線分別與3種蛋形函數(shù)曲線的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，如表2所示?？梢?，Kitching蛋形函數(shù)曲線與蛋經(jīng)線的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.9989，吻合程度最高。試驗(yàn)鵝蛋殼長(zhǎng)軸L與偏心距e之比的均值為45。因此，在仿生鵝蛋殼時(shí)，作為優(yōu)選，蛋形函數(shù)選用Kitching函數(shù)方程，取L/e=45。

表2　蛋經(jīng)線與蛋形函數(shù)曲線的皮爾遜相關(guān)系數(shù)

2　多蛋交接耐壓殼的設(shè)計(jì)與建模

蛋形函數(shù)選用Kitching蛋形函數(shù)，取B/L=0.69，L/e=45。多蛋交接耐壓殼包括若干個(gè)蛋形仿生殼，相鄰蛋形殼的鈍端和尖端通過環(huán)形肋順次連接(圖6)。多蛋交接的耐壓殼艏部為蛋形殼的鈍端，如圖6左端所示，其尾部為蛋形殼的尖端，如圖6右端所示。主要幾何參數(shù)包括：交接蛋形殼的個(gè)數(shù)n、仿生蛋形殼長(zhǎng)軸L、加強(qiáng)肋厚度 h、加強(qiáng)肋寬度b、加強(qiáng)肋半徑a和仿生蛋形殼厚度t(圖6)。

圖6　三蛋形殼截面

運(yùn)用HYPERMESH將多蛋交接耐壓結(jié)構(gòu)的每個(gè)蛋形殼等分成6塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以消除網(wǎng)格大小不同對(duì)軟件分析的影響，單元類型為線性四邊形單元S4。圖7所示為交接個(gè)數(shù)分別為2、3、4、5、6的網(wǎng)格模型。利用有限元軟件ABAQUS對(duì)多蛋交接耐壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行臨界屈曲載荷和極限強(qiáng)度載荷分析。多蛋交接耐壓裝置在深水受均布?jí)毫r(shí)，不受任何約束，為了消除模型的剛性位移，選擇三個(gè)點(diǎn)限制耐壓裝置的6個(gè)方向位移。該約束為虛約束，三個(gè)點(diǎn)的滯反力都為0，說明該約束完全不影響分析結(jié)果。本文選用的蛋形殼材料為Ti-6Al-4V(Tc4)，許用應(yīng)力為830MPa，彈性模量為110GPa，泊松比為0.3，密度為4.5g/cm3。

圖7　多蛋交接耐壓殼的網(wǎng)格模型

浮力系數(shù)f是評(píng)價(jià)潛水器性能的重要指標(biāo)，其表征著潛水器的運(yùn)載能力，可由下式計(jì)算：

(4)

式中，V1為多蛋交接耐壓殼體積(排水量)；V2為多蛋交接耐壓殼的材料體積；ρ1為海水密度，ρ1=1.025g/cm3；ρ2為Ti-6Al-4V(Tc4)密度，ρ2=4.5g/cm3。

3　結(jié)果分析與討論

3.1蛋形殼個(gè)數(shù)影響規(guī)律分析

分別設(shè)計(jì)交接個(gè)數(shù)為2、3、4、5、6多蛋交接的模型，主要幾何參數(shù)如下：L=2.4m、h=100mm、b=60mm、a=500mm、t=60mm。利用ABAQUS軟件對(duì)模型求解，獲得不同交接個(gè)數(shù)下的臨界屈曲載荷、極限強(qiáng)度載荷和浮力系數(shù)，如表3所示?？梢?，雙蛋耐壓殼的極限強(qiáng)度載荷最大，三蛋形殼極限強(qiáng)度載荷最小。當(dāng)交接個(gè)數(shù)不小于4時(shí)，極限強(qiáng)度載荷隨交接個(gè)數(shù)增大而逐漸減小，變化幅度僅為0.05%。浮力系數(shù)隨交接個(gè)數(shù)增大逐漸減小，并趨近于單個(gè)蛋形殼的浮力系數(shù)，變化幅度僅為3.9%。因此，蛋形殼個(gè)數(shù)對(duì)極限強(qiáng)度載荷和浮力系數(shù)影響很小。

表3多蛋殼交接臨界屈曲/極限強(qiáng)度/浮力系數(shù)對(duì)比表

n臨界屈曲載荷qcr(MPa)極限強(qiáng)度載荷pcr(MPa)浮力系數(shù)f2230.4045.84430.81893230.3145.82140.80414230.5345.83920.79665230.5445.83710.79216230.3645.82260.7868

此外，多蛋交接耐壓殼的臨界屈曲載荷遠(yuǎn)大于極限強(qiáng)度載荷，即極限強(qiáng)度載荷為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要因素，所以在研究分析時(shí)可以忽略臨界屈曲載荷對(duì)多蛋殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。圖8是交接個(gè)數(shù)分別為2、3、4、5、6多蛋交接模型的屈曲模態(tài)，可以看出，多蛋交接耐壓殼失穩(wěn)均發(fā)生在交接環(huán)肋處，且交接的個(gè)數(shù)對(duì)失穩(wěn)模式并無影響。綜上，可將分析模型簡(jiǎn)化為三蛋形殼，從而極大地減小了模型和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。

(a)n=2　　　　　(b)n=3(c)n=4

(d)n=5　　　　　　(e)n=6　圖8　多蛋交接耐壓殼屈曲模態(tài)

3.2主要幾何參數(shù)對(duì)多蛋交接耐壓殼結(jié)構(gòu)性能的影響

多蛋交接耐壓殼的主要參數(shù)包括仿生蛋殼長(zhǎng)軸長(zhǎng)度L、加強(qiáng)肋厚度 h、加強(qiáng)肋寬度b、加強(qiáng)肋半徑a和仿生蛋殼厚度t。它們決定著多蛋交接耐壓殼的幾何形狀，其因素水平如表4所示。采用正交表L27(35)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，試驗(yàn)方案和結(jié)果如表5所示。

表4　正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)各因素水平表

表5　正交試驗(yàn)表

Minitab是現(xiàn)代質(zhì)量管理統(tǒng)計(jì)軟件，作為一款優(yōu)異的正交試驗(yàn)后處理軟件，可有效地分析各因素各水平對(duì)性能指標(biāo)的均值主效應(yīng)、信噪比主效應(yīng)和貢獻(xiàn)率。其中，均值主效應(yīng)的幅值越大，對(duì)性能指標(biāo)影響越重要；信噪比為質(zhì)量特征值的均值與樣本方差比值的平方，反映穩(wěn)健設(shè)計(jì)中性能指標(biāo)穩(wěn)健程度，其數(shù)值越大，系統(tǒng)波動(dòng)越小，越穩(wěn)定；貢獻(xiàn)率為各因素的均值主效應(yīng)幅值占整體幅值的百分比，可衡量各因素對(duì)性能指標(biāo)影響的程度。運(yùn)用Minitab軟件對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可獲得各因素各水平對(duì)極限強(qiáng)度載荷和浮力系數(shù)的均值主效應(yīng)、信噪比主效應(yīng)和貢獻(xiàn)率，如圖9、圖10所示。

(a)各因素水平對(duì)極限強(qiáng)度載荷均值主效應(yīng)

(b)各因素水平對(duì)極限強(qiáng)度載荷信噪比主效應(yīng)

(c)各因素水平對(duì)極限強(qiáng)度載荷貢獻(xiàn)率圖9　各因素對(duì)極限強(qiáng)度載荷影響

(a)各因素水平對(duì)浮力系數(shù)均值主效應(yīng)

(b)各因素水平對(duì)浮力系數(shù)信噪比主效應(yīng)

(c)各因素水平對(duì)浮力系數(shù)貢獻(xiàn)率圖10　各因素對(duì)浮力系數(shù)影響

由圖9a、圖9c可以看出，加強(qiáng)肋厚度h、仿生蛋殼長(zhǎng)軸長(zhǎng)度L、仿生蛋殼厚度t 、加強(qiáng)肋寬度b、加強(qiáng)肋半徑a對(duì)三蛋形殼的極限強(qiáng)度載荷影響依次減弱； h、L對(duì)極限強(qiáng)度載荷的影響為主導(dǎo)因素。b、h、t的值越大，極限強(qiáng)度載荷越大；L的值越大，極限強(qiáng)度載荷反而越?。籥的值越大，極限強(qiáng)度載荷呈減小再增大趨勢(shì)，但對(duì)極限強(qiáng)度載荷的總貢獻(xiàn)率為負(fù)；由圖9b可以得到主次因素順序的最優(yōu)組合為h3-L1-t3-b3-a1，以獲得最大的極限強(qiáng)度載荷。

由圖10a、圖10c可以看出，仿生蛋殼厚度t、仿生蛋殼長(zhǎng)軸長(zhǎng)度L、加強(qiáng)肋厚度h、加強(qiáng)肋半徑a、加強(qiáng)肋寬度b對(duì)三蛋形殼的浮力系數(shù)影響依次減弱；t、L對(duì)浮力系數(shù)影響為絕對(duì)主導(dǎo)因素，其他參數(shù)對(duì)浮力系數(shù)影響極?。籐、a的值越大浮力系數(shù)越?。籺、h和a的值越大浮力系數(shù)越大。由圖10b可以得到主次因素順序的最優(yōu)組合為t1-L3-h1-a3-b1，以獲得最小的浮力系數(shù)。

極限強(qiáng)度載荷與浮力系數(shù)的最優(yōu)組合并不相同，需要綜合考慮二者指標(biāo)，最終獲得影響因素的排序和優(yōu)異組合。耐壓結(jié)構(gòu)在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先考慮下潛深度，保證安全性，即優(yōu)先考慮其極限強(qiáng)度載荷。加強(qiáng)肋厚度h在對(duì)極限強(qiáng)度載荷影響中為主導(dǎo)因素，而對(duì)浮力系數(shù)影響較小，可在不用考慮對(duì)浮力系數(shù)影響下，增大h，提高極限強(qiáng)度載荷。因此，可將h作為影響極限強(qiáng)度載荷和浮力系數(shù)綜合指標(biāo)的第一主要因素。極限強(qiáng)度載荷與浮力系數(shù)的最優(yōu)組合為h3-L1-t3-b3-a1和t1-L3-h1-a3-b1，L均為第二主要因素，且t和L對(duì)浮力系數(shù)影響不相伯仲，而t對(duì)極限強(qiáng)度載荷影響要小于L。因此， L和t可分別作為影響極限強(qiáng)度載荷和浮力系數(shù)綜合指標(biāo)的第二、第三主要因素。a、b對(duì)浮力系數(shù)影響甚微，可按其對(duì)極限強(qiáng)度載荷的影響主次劃分。最終，獲得主要參數(shù)的影響排序和優(yōu)異組合為h3-L-t1-b-a。確定h和t后，基于正交表L27(35)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)組，可確定試驗(yàn)序號(hào)7、10、22三組為優(yōu)異組合。

根據(jù)強(qiáng)度載荷公式[16，21]：

pcr=KρgH/0.9

(5)

式中，K為安全系數(shù)，取1.5；ρ為海水密度，取1.025g/cm3；g為重力加速度，g取9.8m/s2；H為水深。

可以將三組優(yōu)異組合劃分為適用于不同水深的參數(shù)組合。試驗(yàn)序號(hào)22的參數(shù)組合為h3-L3-t1-b3-a2，適用于3000～4000m水深；試驗(yàn)序號(hào)10的參數(shù)組合為h3-L2-t1-b2-a1，適用于4000～5000m水深。試驗(yàn)序號(hào)7的參數(shù)組合為h3-L1-t1-b3-a3，適用于5000～6000m水深。三組試驗(yàn)參數(shù)的組合并非為三蛋交接耐壓殼的最優(yōu)組合，但其參數(shù)組合可為深海三蛋交接耐壓殼仿生設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，避免參數(shù)的盲選和反復(fù)試驗(yàn)。此外，蛋形殼的個(gè)數(shù)對(duì)極限強(qiáng)度載荷和浮力系數(shù)影響很小。因此，上述的優(yōu)異參數(shù)組合同樣也適用于其他多蛋交接耐壓殼結(jié)構(gòu)。

4　結(jié)論

(1)鵝蛋的蛋形系數(shù)符合均值為0.69的正態(tài)分布；蛋殼為高度對(duì)稱性的旋轉(zhuǎn)殼，且與Kitching蛋形函數(shù)曲線的相關(guān)系數(shù)為0.9989，吻合程度最高；作為優(yōu)選，長(zhǎng)軸與偏心距之比取45，蛋形系數(shù)取0.69。

(2)多蛋交接耐壓殼的臨界屈曲載荷遠(yuǎn)大于極限強(qiáng)度載荷，即極限強(qiáng)度載荷占結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要因素；多蛋交接耐壓殼失穩(wěn)均發(fā)生在交接環(huán)肋處，且蛋形殼個(gè)數(shù)對(duì)失穩(wěn)模式并不影響；蛋形殼個(gè)數(shù)對(duì)極限強(qiáng)度載荷和浮力系數(shù)影響很小，可將蛋形殼模型的交接個(gè)數(shù)簡(jiǎn)化為3，且不降低計(jì)算結(jié)果精確度。

(3)多蛋交接耐壓殼的主要參數(shù)對(duì)極限強(qiáng)度載荷和浮力系數(shù)綜合影響的主次順序?yàn)椋杭訌?qiáng)肋厚度h-蛋形殼長(zhǎng)軸長(zhǎng)度L-蛋形殼厚度t-加強(qiáng)肋寬度b-加強(qiáng)肋半徑a。b、a和h的值對(duì)浮力系數(shù)影響較小，可以通過調(diào)節(jié)其值來提高極限強(qiáng)度載荷；t對(duì)浮力系數(shù)影響較大，其值的增大對(duì)提高極限強(qiáng)度載荷的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對(duì)有效載荷的損失；L對(duì)極限強(qiáng)度載荷和浮力系數(shù)影響都較大，可以根據(jù)設(shè)計(jì)適用的水深來確定合適的值，以確保降低浮力系數(shù)的同時(shí)不降低極限強(qiáng)度載荷。

(4)基于正交試驗(yàn)的三組參數(shù)組合h(200mm)-L(3.2m)-t(60mm)-b(90mm)-a(550mm)、h(200mm)-L(2.8m)-t(60mm)-b(75mm)-a(500mm)、h(200mm)-L(2.4m)- t(60mm)-b(90mm)-a(500mm)，可為適用于深海的多蛋交接耐壓殼仿生設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，避免參數(shù)的盲選和反復(fù)試驗(yàn)。

[1]Zhang Jian, Zuo Xinlong, Wang Weibo, et al.Overviews of Investigation on Submersible Pressure Hulls [J]. Advances in Natural Science, 2014, 7(4):54-61.

[2]Ma Ling, Cui Weicheng. Path Following Control of a Deep-sea Manned Submersible Based upon NTSM [J]. China Ocean Engineering, 2005, 19(4): 625-636.

[3]梁學(xué)先.潛艇耐壓船體特殊問題的研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2006.

[4]蘇玉民,龐永杰.潛艇原理[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2013.

[5]Pan Binbin, Cui Weicheng. A Comparison of Different Rules for the Spherical Pressure Hull of Deep Manned Submersibles [J]. Journal of Ship Mechanics, 2011, 15(3): 276-285.

[6]茍鵬,崔維成.多球交接耐壓殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題的研究[J]. 船舶力學(xué), 2009,13(2): 269-277.

Gou Peng, Cui Weicheng. Study of Structural Optimization Problem for Multiple Intersecting Spherical Pressure Hulls [J]. Journal of Ship Mechanics, 2009, 13(2): 269-277.

[7]Liang Chaochung, Shiah Seauwen, Jen Chanyung, et al.Optimum Design of Multiple Intersecting Spheres Deep-submerged Pressure Hull [J]. Ocean Engineering, 2004, 31:177-199.

[8]Ness C C, Simpson W M. A New Submarine Paradigm [J]. Naval Engineers Journal, 2000, 112(4): 143-152.

[9]Blachut J, Smith P. Buckling of Multisegment Underwater Pressure Hull [J]. Ocean Engineering, 2008, 35(2): 247-260.

[10]Blachut J, Jaiswal O R. On Buckling of Toroidal Shells under External Pressure [J]. Comput. Struct.， 2000, 77(3): 233-251.

[11]Zhang Jian, Wang Minglu, Wang Weibo, et al.Biological Characteristics of Eggshell and Its Bionic Application [J]. Advances in Natural Science, 2015, 8(1):41-50.

[12]張建,王明祿,王緯波,等.蛋形耐壓殼力學(xué)特性研究[J]. 船舶力學(xué),2016，20(1/2)：99-109.

Zhang Jian, Wang Minglu, Wang Weibo, et al. Research on Mechanical Properties of the Eggshell-shaped Pressure Hull [J]. Journal of Ship Mechanics, 2016，20(1/2)：99-109.

[13]Wong H T. Behavior and Modeling of Steel-concrete Composite Shell Roofs [D]. Hong Kong: Hong Kong Polytechnic University, 2005.

[14]Woelke P. Computational Model for Elastic-plastic and Damage Analysis of Plates and Shells [D]. Baton Rouge: Louisiana State University, 2005.

[15]張建.一種深海仿生耐壓殼體:中國(guó),10073803.4[P].2015-05-27.

[16]張建,王緯波,高杰,等.深海耐壓殼仿生設(shè)計(jì)與分析[J]. 船舶力學(xué),2015，19(11)：1360-1367.

Zhang Jian, Wang Weibo, Gao Jie, et al. Bionic Design and Analysis of Deepwater Pressure Hull [J]. Journal of Ship Mechanics, 2015，19(11)：1360-1367.

[17]張建.一種仿生耐壓裝置:中國(guó),10386319.7[P].2015-06-30.

[18]Entwistle K M, Reddy T Y. The Fracture Streng-th under Internal Pressure of the Eggshell of Domestic Fowl [J]. Biological Science, 1996, 263:433-438.

[19]Babich D V. Stability of Shells of Revolution with Multifocal Surfaces [J]. International Applied Mechanics, 1993, 29(11):935-938.

[20]Nedomova S, Severa L. Influence of Hen Egg Shapes on Eggshell Compressive Strength [J]. Int. Agrophysics, 2009, 23:249-256.

[21]王自力,王仁華,俞銘華,等.初始缺陷對(duì)不同深度載人潛水器耐壓球殼極限承載力的影響[J]. 中國(guó)造船, 2007(2): 45-50.

Wang Zili, Wang Renhua, Yu Minghua, et al. Effect of Initial Imperfections on the Ultimate Bearing Capacity of the Pressure Spherical Shell of a Manned Submersible with Different Depth [J]. Shipbuilding of China, 2007(2): 45-50.

(編輯袁興玲)

Bionic Investigation on Multiple Intersecting Egg-shaped Pressure Hulls

Zhang Jian1,2Zuo Xinlong1Wang Weibo2Tang Wenxian1

1.Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang，Jiangsu，212000 2.Chinese Ship Scientific Research Center,Wuxi，Jiangsu，214082

Bionic design of multiple intersecting egg-shaped pressure hulls was carried out based on goose egg shell. Firstly, egg-shaped function was established according to a series of biological experiments of egg shells. Then, multiple intersecting egg-shaped pressure hulls in deep sea were designed. Numerical models with 2, 3, 4, 5, 6 eggshells were established. Critical buckling loads, yield loads and buoyancy factors of these hulls were studied. Finally, effects of the main geometric parameters on the performances of the multiple intersecting egg-shaped pressure hulls were analyzed using orthogonal experimental design. The results show that Kitching function is the best egg-shaped function describing goose egg meridian. The length-to-eccentricity ratio is as 45, and the egg shape index is as 0.69. The critical buckling loads of the egg-shaped pressure hulls are larger than yield loads, indicating that strength is the main factor of the structural design. The number of eggshells has little influence on the yield loads and buoyancy factors, while the shell thickness has a great influence on them. The geometrical parameters of the rib have little influence on the buoyancy factors but great on the yield loads.

pressure hull; multiple intersecting egg-shaped; egg-shaped function; bionic design

2015-08-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51205173)；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20150469)；江蘇科技大學(xué)研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(YCX15s-05)

U661.4；TE58

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.19.019

張建，男，1984年生。江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師，中國(guó)船舶科學(xué)研究中心博士后研究人員。主要研究方向?yàn)樯詈Ｄ蛪貉b備現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法。左新龍，男，1991年生。江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。王緯波，男，1969年生。中國(guó)船舶科學(xué)研究中心研究員、博士研究生導(dǎo)師。唐文獻(xiàn)，男，1962年生。江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士。