海洋探測儀耐壓殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度特性分析

余大華 王偉奇

(湖北三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 宜昌 443000)

1 海洋探測儀概述

海洋探測儀(海洋探測設(shè)備、水下探測器)主要用于海洋環(huán)境的觀察和勘測，對海洋相關(guān)的數(shù)據(jù)和資料進(jìn)行收集，最為關(guān)鍵的是對海洋一定的深度進(jìn)行實(shí)時地監(jiān)測和探視，因此，對海洋探測儀的殼體承受能力提出了很高的要求。

為了保證海洋探測儀能夠在海洋環(huán)境下完成各種數(shù)據(jù)收集和探測任務(wù)，那么就應(yīng)該保證耐壓殼體具備一定的承受和抗壓能力，根據(jù)材料的特性和環(huán)境要求，耐壓殼體的制造通過以內(nèi)部增加輕金屬內(nèi)膽，在外表面增加纖維。纖維可以承受任意的荷載，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該將纖維根據(jù)90°的方向纏繞殼體表面多層，再按軸向纏繞若干層，形成單向板復(fù)合材料，這樣可以有效地提升殼體的強(qiáng)度和承載能力。

2 海洋探測儀殼體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求和材料選擇

海洋探測儀主要用于1600m以下的深水環(huán)境探測，要求外徑不能超過150mm，內(nèi)膽尺寸不能小于Φ140mm×320mm，主要用于放置探測設(shè)備，設(shè)計(jì)出來的探測設(shè)備需滿足輕巧化的要求。要充分考慮材料以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度輕量化的要求，可以采用鋁合金材質(zhì)，其材質(zhì)的重量只占據(jù)鋼的50%左右，而強(qiáng)度卻高達(dá)872MPa，可以作為殼體材料設(shè)計(jì)的首選，其物理特性參數(shù)如表1所示：

表1 鈦合金物理參數(shù)

2.2 模型選擇

通過經(jīng)驗(yàn)力學(xué)特征對耐壓殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，最開始都將降模型行為連續(xù)結(jié)構(gòu)，其是由封頭、筒壁連接或拆卸。同時，要加強(qiáng)對設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行維護(hù)和檢修，其中封有的結(jié)構(gòu)形式對耐壓殼體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性會產(chǎn)生直接的影響。所以，分析耐壓殼體力學(xué)特征時，應(yīng)該對封頭和筒壁的連接方式引起足夠的重視，這樣殼體強(qiáng)度才有所保障。此外，根據(jù)實(shí)踐研究得知，球狀的耐壓殼體力學(xué)性能與其它結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)勢更加明顯?？梢钥紤]采用半球殼結(jié)構(gòu)，不利用筒壁和封頭連接的形式，這樣有利于提升整個海洋探測儀設(shè)備的耐壓殼強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

3 關(guān)于海洋探測儀耐壓殼體強(qiáng)度分析結(jié)果

3.1 耐壓殼體強(qiáng)度分析

如果海洋探測設(shè)備放置在深度為1500m以上的水下環(huán)境，為了滿足其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強(qiáng)度要求，材料應(yīng)該選擇屈服更加高強(qiáng)度的鋁合金材料。經(jīng)過計(jì)算，本文所提到的耐壓殼體的屈曲模態(tài)如圖1所示，引入缺陷后，其工作荷載為15MPa，應(yīng)力響應(yīng)如圖2所示。

圖1 耐壓殼體一階屈曲

圖2 耐壓殼體失穩(wěn)破壞

其次，通過將荷載比例系數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整和改變，充分考慮耐壓殼體的載荷系數(shù)和應(yīng)力之間的關(guān)系?？梢钥闯?，載荷比例系數(shù)的增加，也會對耐壓殼體的應(yīng)力響應(yīng)形成一定程度的影響，并呈現(xiàn)出準(zhǔn)線性上升趨勢。如果耐壓殼體設(shè)計(jì)安全系數(shù)為2，最大比例系數(shù)為2.2，而耐壓殼體的失穩(wěn)壓力為33MPa，當(dāng)耐壓殼體承受極限荷載時，不考慮失穩(wěn)，計(jì)算殼體的極限強(qiáng)度，最大應(yīng)力為415.6MPa，安全系數(shù)高于2，得出耐壓殼體主要破壞形式為失穩(wěn)。

3.2 極限強(qiáng)度分析

由表2(耐壓殼體臨界失穩(wěn)壓力表)可以看出，不同工況下耐壓殼體的臨界失穩(wěn)壓力在明顯減小時，表現(xiàn)出重合度過小，也會直接對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，形成不利的影響。當(dāng)失穩(wěn)壓力比耐壓殼體有所增加時，重合度也會隨之增大，耐壓殼體封頭和筒壁的法蘭與外環(huán)加強(qiáng)筋的效果是一致的，促使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也有明顯提升。

表2 耐壓殼體臨界失穩(wěn)壓力

4 結(jié)語

總之，根據(jù)上文對海洋探測儀耐壓殼體強(qiáng)度的詳細(xì)研究，通過有限元分析法得出經(jīng)典的耐壓殼體結(jié)構(gòu)，采用耐壓殼體和筒壁連接的方式，得出耐壓殼體結(jié)構(gòu)的破壞形式與封頭和筒壁的重合度有關(guān)聯(lián)。重合度越小，耐壓殼體的穩(wěn)定性越差，破壞形式為失穩(wěn)破壞，只有不斷地增加重合度，才能更好地保障耐壓殼體的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，從而提升海洋探測儀設(shè)備的安全應(yīng)用系數(shù)。