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大深度潜水器结构分析与设计研究

刘涛  
【摘要】: 21世纪是深海勘探和开发的年代,占地球表面积49%,最深可达11000米 左右的国际深海和洋底区域蕴藏着丰富的战略金属、能源和生物资源。这些是地 球上尚未被人类充分认识和利用的最大潜在宝库,也是人类得以持续发展的重要 基础。而大深度潜水器是运载各种电子装置、机械设备和工程技术人员、科学 家快速、精确地到达各种深海复杂环境,进行高效的勘探、科学考察和开发作业 的装备它是人类能实现开发深海的一项重要技术手段。 这些年来,各种用途、各种类型的大深度潜水器不断问世,并在深海地质研 究和资源调查等方面作了许多有效的工作,取得了很多前所未有的信息,但对浩 瀚的海洋仍只认识了一小部分。为此能长时间停留在海底工作,能按某个特定使 命在深海进行观察、作业的新型大深度潜水器在今后将会不断发展。为适应新形 势的需要,提高工作效率、扩大多种水下作业能力、缩短工作周期、简化后勤支 持、降低开发成本、控制合适的使用价格,始终是大深度潜水器新技术的追求目 标。 大深度潜水器结构重量和体积是直接影响潜水器总体性能的重要指标。主要 结构部件的型式也与潜水器的总体性能有关。并且工作深度决定着潜水器耐压壳 结构和外部结构的形状、重量。为了提高续航力降低能耗,提高工作效率,因而 必须相应地减轻潜水器结构重量并进而降低潜水器总重量。在保证潜水器安全性 能的条件下,潜水器结构重量的减轻意味着建造成本的降低以及装载能力的增加 和经济效益的提高。 合理地减轻潜水器耐压壳结构和外部结构的重量是设计潜水器的一个重要 任务。大深度潜水器上新材料和新技术的应用,能使潜水器结构重量减轻,但是 由于大深度潜水器结构形式的特点和新材料的应用,值得注意的问题是必须寻求 一种相应的可靠的设计分析方法。由于当前的潜艇结构设计计算规则仅适用于潜 深300米左右的、采用921钢材的潜艇耐压壳结构和非耐压壳结构。而现有的潜 水器规范则仍然建立在潜艇设计计算规范基础上。强度设计准则和计算方法均基 摘 要 于一些简化公式,并包含了依据试验和经验得来的修正系数和安全系数,而这些 修正系数和安全系数对于所用材料、结构形式及几何参数特点、载荷等与潜艇一 般结构形式有显著差别的大深度浴水器来说,其适用性是值得推敲的。规范设计 方法和设计准则的应用可能导致过于保守的设计结果,也可能低估了结构的安全 性能。这种传统的设计准则及线弹性计算方法,没有真正地估算出耐压壳体达到 一’”一 一’”’””’-’——””—””’一一””‘’‘’ 一’” 一’”—”-””——一’一 手 崩溃的承载能力,也就无法深入评估耐压壳体的真正安全余量。金属耐压壳结构, 强度与稳定性的弹塑性屈曲压力的计算方法可用于糟确计算耐压壳结构的实际 承载能力,从而能获得统一的安全标准,并进一步提高规范和设计要求。因而, 需要发展新的结构分析方法和设计准则,这些分析方法能应用于处理新材料和新 技术,能够科学地体现大深度潜水器结构形式的特点,这些设计准则能够考虑到 潜水器耐压壳结构和非耐压壳的结构特性。 近来由于复合材料的迅速发展和在航天航空领域的成功应用,在大深度潜水。 “””““““”’”“”’””””””””-”’””””””“——一—”””一‘”——”’””—”””’”——’一””t 器上采用复合材料已经越来越显示其优越性。由于原先制约复合材料应用的一些 因素如价格高、工艺复杂等因素,随着科技的发展正逐步克服,因此对于大深度 潜水器,特别是全深度潜水器,先进复合材料如碳纤维增强复合材料、陶瓷等不 失为一种最好的具有广阔前景的可选材料。但是相应的复合材料潜水器结构的强 度与稳定性分析方法却尚未进行深入的研究。 本文全面阐述了用于计算大深度潜水器耐压壳强度与稳定性的理论方法。 本方法结合材料模量的数据拟合,椎导了耐压壳弹塑性失稳的屈曲压力计算公 时 式。应用该方法得到了不同半径厚度比值的耐压壳弹塑性屈曲压力与结构形状参 数u的关系曲线。并分析了物理修正系数的一些特性。 同时本文基于材料切线模量的特点,对耐压壳弹性屈曲压力计算公式进行 改进,提出了一种高效而精确的弹塑性屈曲压力简化计算方法。应用该方法对 三个不同直径的耐压壳模型进行了分析计算,通过与试验作比较,证实了本方 法的正确性及高效性。 本文还提供了大深度潜水器复合材料耐压壳稳定性的分析计算方法。利用一 阶剪切理论和Reddy高级剪切理论计算了考虑横向剪切变形影响的复合材料层 帚 合圆柱壳的线性失稳载荷和几何非线性失稳载荷。分析了壳体的几何参数、铺层 数、铺层角、半径厚度比值对失稳临界荷值的影响。铺层的优化设计中利用随机 .巨巨. 一 试验法与可变容差法相结合,探讨了寻求临界荷值最大的铺层角最优化问题,并


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