CN104648638A - 一种深海仿生耐压壳体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深海仿生耐压壳体，由左端封头、右端封头和中部壳体构成一长度为L、宽度为B、旋转半径为R(x)的轴对称蛋壳形结构，其中，所述中部壳体的厚度t2为等强度变厚结构，所述左端封头的厚度t1和右端封头的厚度t3分别为等厚结构，所述左端封头与中部壳体为固定连接，所述右端封头与中部壳体通过法兰螺栓或者带有密封圈的活动舱盖相连接。本发明具有良好的力学特性、壳内空间利用率、流体动力学特性、乘员舒适性，有利于综合提升潜水器的安全性、载运能力、机动性和下潜时间。同时还减轻了耐压壳体重量，增大了耐压壳体的储备浮力，降低加工制造难度和成本。

Description

一种深海仿生耐压壳体

技术领域

本发明属于机械结构设计领域，涉及一种潜水器，尤其涉及一种用于深海潜水器的仿生耐压壳体。

背景技术

随着海洋开发速度不断加快，从近海到远海探索深度不断增加，各种作业目的的潜水器种类繁多、发展迅速，主要用于资源勘探与开发、科学研究、军事探测和打捞等方面。作为潜水器的重要组成部分，耐压壳体起着保障下潜过程中内部设备正常工作和人员健康安全的作用，其重量占潜水器总重的1/4-1/2。耐压壳体是承受静水压力的薄壳结构，要求具有良好的力学特性、壳内空间利用率、流体动力学特性、乘员舒适性，以提升潜水器的安全性、载运能力、机动性和下潜时间等性能。

现役耐压壳体主要为球形结构和柱形结构。其中，球形壳具有力学特性好、材料利用率高等优点，但空间利用率低、水动力学特性差，主要应用于深海潜水器；柱形壳具有空间利用率高、流体动力学特性好等特点，但材料利用率低、力学特性差，且需要内部加强，一般应用于浅海潜水器。此外，耐压壳体还包括具有良好流体动力学特性的水滴结构，以及具有较强耐压特性的环形结构，但均严重牺牲了耐压壳体的其它性能。可见，现有耐压壳体设计水平无法同时满足或有效协调这些性能，给深海潜水器开发造成了技术瓶颈。

生物经过亿万年进化，自然选择出具有良好耐压特性的蛋壳、头颅、贝壳、螺壳等壳类结构。其中，蛋壳是一种满足正高斯曲线的多焦点、回转型薄壁结构，具有良好的重量强度比、跨距厚度比、流线型、美学特性、合理的材料分布等优点。蛋壳满足圆顶原理，无需额外加强支撑，利用最少的材料即可获得足够的强度和稳定性，是一种优异的仿生模型，建筑领域广泛采用蛋壳形仿生结构。在均布压力作用下，蛋壳可通过面内压力抵抗外载荷，此时壳体表现出超强的耐压特性。显然，蛋壳可为深海耐压壳体设计提供有效的生物信息。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷，将蛋壳优异生物特性运用到深海耐压壳体设计中，提供一种具有良好力学特性、材料利用率、壳内空间利用率、流体动力学特性、乘员舒适性的深海仿生耐压壳体，进而综合提升潜水器的安全性、载运能力、机动性和下潜时间。

为了达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种深海仿生耐压壳体，由左端封头1、右端封头3和中部壳体2构成一长度为L、宽度为B、旋转半径为R(x)的轴对称蛋壳形结构，其中，所述中部壳体2的厚度t2为等强度变厚结构，所述左端封头1的厚度t1和右端封头3的厚度t3分别为等厚结构，所述左端封头1与中部壳体2为固定连接，所述右端封头3与中部壳体2通过法兰螺栓4或者带有密封圈的活动舱盖相连接。

所述法兰螺栓4包括螺栓41、螺母42、垫圈43、密封圈45、第一法兰44和第二法兰46，其中第一法兰44与中部壳体2固定连接，第二法兰46与右端封头3固定连接。

所述耐压壳体的长度L与宽度B的比值为L：B＝(1.2～1.4)：1。

所述左端封头1的长度L1、右端封头3的长度L3分别为耐压壳体的长度L的1～30％。

所述左端封头1和中部壳体2连接处以及所述中部壳体2和右端封头3连接处的厚度为均匀过渡。

所述固定连接为焊接连接。

所述耐压壳体的材质为塑性材料或复合材料中的任一种，其中塑性材料最佳为钛合金或钢；复合材料最佳为碳纤维、陶瓷纤维或芳纶纤维增强的树脂基复合材料。

所述旋转半径R(x)的值大小为：

$R\left(x\right)=\sqrt{L^{\frac{2}{1.057{\left(\frac{L}{B}\right)}^{2.372}+1}}\·x^{\frac{2.114{\left(\frac{L}{B}\right)}^{2.372}}{1.057{\left(\frac{L}{B}\right)}^{2.372}+1}}}$

其中，x为外表面上任一点到左端封头1端面的距离，R(x)为x的旋转半径；

所述中部壳体2的厚度t2为等强度变厚结构，当所述耐压壳体的材质为钛合金或钢时，则中部壳体2的厚度t2的值为：

$t2=\frac{\mathrm{PR}\left(x\right)\·\sqrt{1+{\left(R^{\′}\left(x\right)\right)}^2}\·\sqrt{3-3\·\frac{R\left(x\right)\·\sqrt{1+{\left(R^{\′}\left(x\right)\right)}^2}}{\left|\frac{{[1+{\left(R^{\′}\left(x\right)\right)}^2]}^{\frac{3}{2}}}{R^{\′\′}\left(x\right)}\right|}+\frac{{(R\left(x\right)\·R^{\′\′}\left(x\right))}^2\·(1+{\left(R^{\′}\left(x\right)\right)}^2)}{{[1+{\left(R^{\′}\left(x\right)\right)}^2]}^3}}}{2\left[\mathrm{\σ}\right]}$

其中P为计算压力，[σ]为许用应力，R'(x)为R(x)对x的一阶导数，R"(x)为R(x)对x的二阶导数。

当所述耐压壳体的材质为碳纤维、陶瓷纤维或芳纶纤维增强的树脂基复合材料时，则中部壳体2的厚度t2的值为：

$t2=\frac{P}{2\left[\mathrm{\σ}\right]}\·[2R\left(x\right)\·\sqrt{1+{\left(R^{\′}\left(x\right)\right)}^2}-\frac{R^2\left(x\right)+R^2\left(x\right)\·{\left(R^{\′}\left(x\right)\right)}^2}{\left|\frac{{[1+{\left(R^{\′}\left(x\right)\right)}^2]}^{\frac{3}{2}}}{R^{\′\′}\left(x\right)}\right|}]$

其中P为计算压力，[σ]为许用应力，R'(x)为R(x)对x的一阶导数，R"(x)为R(x)对x的二阶导数。

本发明采用上述技术方案，具有以下优点和有益效果：

1、由于本发明采用了具有良好耐压特性、重量强度比、跨距厚度比、流线型、美学特性的蛋形结构，使得耐压壳体具有良好的力学特性、壳内空间利用率、流体动力学特性、乘员舒适性，有利于综合提升潜水器的安全性、载运能力、机动性和下潜时间。

2、在本发明中，壳体采用等强度变厚结构，有效提高了材料利用率，减轻耐压壳体重量，进而增大了耐压壳体的储备浮力，有利于提高潜水器的载运能力和机动性；左端封头和右端封头为大曲率构型，采用等厚结构可降低加工制造难度和成本。

附图说明

图1为本发明的深海仿生耐压壳体的结构示意图；

图2为本发明的深海仿生耐压壳体法兰螺栓连接局部放大示意图；

图3为本发明的深海仿生耐压壳体的外表面沿长轴方向的旋转半径示意图；

图4为钛合金Ti-6Al-4V(TC4)深海仿生耐压壳体沿着长轴方向厚度分布示意图；

图5为钛合金Ti-6Al-4V(TC4)深海仿生耐压壳体沿着长轴方向等效应力分布示意图；

图6为碳纤维增强树脂基复合材料深海仿生耐压壳体沿着长轴方向厚度分布示意图；

图7为碳纤维增强树脂基复合材料深海仿生耐压壳体沿着长轴方向主应力分布示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例的技术方案进行进一步的清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下采用等同意替换或者等效变换所获得的技术方案，都属于本发明保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。

本发明中所述的“左、右”的含义指的是阅读者正对附图1时，阅读者的左边即为左，阅读者的右边即为右，而非对本发明的装置机构的特定限定。

本发明中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

如图1所示，本发明的一种深海仿生耐压壳体，所述深海仿生耐压壳体是一种旋转半径为R(x)的轴对称蛋壳形结构，长轴为旋转对称轴，沿长轴方向自左至右依次由左端封头1、中部壳体2和右端封头3组成，耐压壳体总长度L与总宽度B的比值在(1.2～1.4)：1之间。其中，中部壳体2是厚度为t2的等强度变厚结构，左端封头1和右端封头3是厚度分别为t1、t3的等厚结构，在左端封头1和中部壳体2、中部壳体2和右端封头3连接处厚度均匀过渡；左端封头1的长度L1、右端封头3的长度L3分别为深海仿生耐压壳体总长度L的1-30％；左端封头1与中部壳体2为固定连接(采用分段制造焊接或制成一体)，右端封头3与中部壳体2之间为活动连接(采用带有密封圈的法兰螺栓4连接或带有密封圈的活动舱盖连接)，如图2所示，法兰螺栓4依次由螺栓41、螺母42、垫圈43、与中部壳体2焊接连接的法兰44、密封圈45、与右端封头3焊接连接的法兰46组成。

所述深海仿生耐压壳体的外表面沿长轴方向的旋转半径R(x)见方程(1)，

$R\left(x\right)=\sqrt{L^{\frac{2}{1.057{\left(\frac{L}{B}\right)}^{2.372}+1}}\·x^{\frac{2.114{\left(\frac{L}{B}\right)}^{2.372}}{1.057{\left(\frac{L}{B}\right)}^{2.372}+1}}}---\left(1\right)$

其中，x为外表面上任一点到左端封头1端面的距离，R(x)为x处的旋转半径，如图3所示。

所述深海仿生耐压壳体为钛合金、钢，则中部壳体2的厚度t2为：

$t2=\frac{\mathrm{PR}\left(x\right)\·\sqrt{1+{\left(R^{\′}\left(x\right)\right)}^2}\·\sqrt{3-3\·\frac{R\left(x\right)\·\sqrt{1+{\left(R^{\′}\left(x\right)\right)}^2}}{\left|\frac{{[1+{\left(R^{\′}\left(x\right)\right)}^2]}^{\frac{3}{2}}}{R^{\′\′}\left(x\right)}\right|}+\frac{{(R\left(x\right)\·R^{\′\′}\left(x\right))}^2\·(1+{\left(R^{\′}\left(x\right)\right)}^2)}{{[1+{\left(R^{\′}\left(x\right)\right)}^2]}^3}}}{2\left[\mathrm{\σ}\right]}---\left(2\right)$

其中P为计算压力，[σ]为许用应力，R'(x)为R(x)对x的一阶导数，R"(x)为R(x)对x的二阶导数。

所述深海仿生耐压壳体为碳纤维、陶瓷纤维、芳纶纤维增强的树脂基复合材料，则中部壳体2的厚度t2为：

$t2=\frac{P}{2\left[\mathrm{\σ}\right]}\·[2R\left(x\right)\·\sqrt{1+{\left(R^{\′}\left(x\right)\right)}^2}-\frac{R^2\left(x\right)+R^2\left(x\right)\·{\left(R^{\′}\left(x\right)\right)}^2}{\left|\frac{{[1+{\left(R^{\′}\left(x\right)\right)}^2]}^{\frac{3}{2}}}{R^{\′\′}\left(x\right)}\right|}]---\left(3\right)$

其中P为计算压力，[σ]为许用应力，R'(x)为R(x)对x的一阶导数，R"(x)为R(x)对x的二阶导数。

实施例1

假设深海仿生耐压壳体采用钛合金Ti-6Al-4V(TC4)，许用应力[σ]为830MPa，材料密度ρ为4.5g/cm³，设计水深为6km，计算压力P取98MPa，总长L为2.453m，总宽B为1.835m，则L/B为1.34；左端封头1的长度L1为总长L的20％、右端封头3的长度L3为总长L的25％，根据方程(1)，所述深海仿生耐压壳体的外表面沿长轴方向的旋转半径方程为：

$R\left(x\right)=\sqrt{{1.7843x}^{1.355}-x^2}---\left(4\right)$

对其分别求一阶导数、二阶导数：

$R^{\′}\left(x\right)=\frac{{1.209x}^{0.355}-x}{\sqrt{{1.7843x}^{1.355}-x^2}}---\left(5\right)$

$R^{\′\′}\left(x\right)=\frac{1}{2}\·[{0.858x}^{-0.645}-2]\·{({1.7843x}^{1.355}-x^2)}^{\frac{-1}{2}}-\frac{1}{4}\·\frac{{({2.418x}^{0.355}-2x)}^2}{{({1.7843x}^{1.355}-x^2)}^{\frac{3}{2}}}---\left(6\right)$

第一曲率半径R₁的计算公式为:

$R_1=\left|\frac{{[1+{\left(R^{\′}\left(x\right)\right)}^2]}^{\frac{3}{2}}}{R^{\′\′}\left(x\right)}\right|---\left(7\right)$

第二曲率半径R₂的计算公式为：

$R_2=R\left(x\right)\·\sqrt{1+{\left(R^{\′}\left(x\right)\right)}^2}---\left(8\right)$

中部壳体2的厚度t2根据方程(2)求得，左端封头1的厚度t1＝61.5mm，右端封头3的厚度t3＝60.6mm，深海仿生耐压壳体厚度分布曲线如图4所示。

根据薄壳理论，深海仿生耐压壳体所受的主应力，即经向应力和纬向应力σ_θ(x)分别为：

根据材料力学第四强度理论，可以得等效应力：

根据方程11求出深海仿生耐压壳体沿着长轴方向的等效应力分布曲线如图5所示，可见中部壳体2等效应力处处相等，为等强度结构，左右两端封头1、3应力均小于中部壳体2，各处等效应力均在许用应力范围内，该设计满足要求。该深海仿生耐压壳体材料重量为3.254t。

若将上述深海仿生耐压壳体改为等厚度耐压壳体，为了保证最大等效应力在许用应力范围内，该厚度应取为上述深海仿生耐压壳体厚度的最大值67.4mm，等厚度耐压壳体的材料重量为3.618t，可见采用变厚度耐压壳体重量减轻了11.2％，提高了材料利用率。

同理，如果减小上述深海仿生耐压壳体左端封头1的长度L1、右端封头3的长度L3，在满足相同最大等效应力即具有相同强度特性的条件下，耐压壳体的重量还将减轻，材料利用率随之提高，有利于增加其储备浮力。

实施例2

假设深海仿生耐压壳体采用碳纤维增强树脂基复合材料，许用应力[σ]为830MPa，材料密度ρ为1.6g/cm³，设计水深为6km，计算压力P取98MPa，总长L为2.453m，总宽B为1.835m，则L/B为1.34；左端封头1的长度L1为总长L的20％、右端封头3的长度L3为总长L的25％，根据方程(1)，所述深海仿生耐压壳体的外表面沿长轴方向的旋转半径方程为：

$R\left(x\right)=\sqrt{{1.7843x}^{1.355}-x^2}---\left(12\right)$

对其分别求一阶导数、二阶导数：

$R^{\′}\left(x\right)=\frac{{1.209x}^{0.355}-x}{\sqrt{{1.7843x}^{1.355}-x^2}}---\left(13\right)$

$R^{\′\′}\left(x\right)=\frac{1}{2}\·[{0.858x}^{-0.645}-2]\·{({1.7843x}^{1.355}-x^2)}^{\frac{-1}{2}}-\frac{1}{4}\·\frac{{({2.418x}^{0.355}-2x)}^2}{{({1.7843x}^{1.355}-x^2)}^{\frac{3}{2}}}---\left(14\right)$

第一曲率半径R₁的计算公式为:

$R_1=\left|\frac{{[1+{\left(R^{\′}\left(x\right)\right)}^2]}^{\frac{3}{2}}}{R^{\′\′}\left(x\right)}\right|---\left(15\right)$

第二曲率半径R₂的计算公式为：

$R_2=R\left(x\right)\·\sqrt{1+{\left(R^{\′}\left(x\right)\right)}^2}---\left(16\right)$

中部壳体2的厚度t2根据方程(3)求得，左端封头1的厚度t1＝69.5mm，右端封头3的厚度t3＝66.1mm，深海仿生耐压壳体厚度分布曲线如图6所示。

根据薄壳理论，深海仿生耐压壳体所受的主应力，即经向应力和纬向应力σ_θ(x)分别为：

根据方程17、方程18求出深海仿生耐压壳体沿着长轴方向的经向应力和纬向应力分布曲线如图7所示，可见中部壳体2最大主应力即纬向应力处处相等，为等强度结构，左右两端封头1、3的主应力均小于中部壳体2，各处主应力均在许用应力范围内，该设计满足要求。该深海仿生耐压壳体材料重量为1.339t。

若将上述深海仿生耐压壳体改为等厚度耐压壳体，为了保证最大主应力在许用应力范围内，该厚度应取为上述深海仿生耐压壳体厚度的最大值75.5mm，等厚度耐压壳体的材料用量为1.502t，可见采用变厚度耐压壳体重量减轻了12.2％，提高了材料利用率。

同理，如果减小上述深海仿生耐压壳体左端封头1的长度L1、右端封头3的长度L3，在满足相同最大主应力即具有相同强度特性的条件下，耐压壳体的重量还将减轻，材料利用率随之提高，有利于增加其储备浮力。

对比例

若采用与上述2种深海仿生耐压壳体同等外部体积的球形耐压壳体，通过该球形耐压壳体球心的剖面面积处处相等，大小为2.9m²；而通过上述2种深海仿生耐压壳体长轴的剖面面积为3.27m²，比球形耐压壳体高13％，且深海仿生耐压壳体曲率较小，避免了空间浪费，设备布置更加方便，说明深海仿生耐压壳体具有较好的空间利用率，有利于提高潜水器的载运能力；垂直于上述2种深海仿生耐压壳体长轴的最大剖面面积为2.6m²，比球形耐压壳体低8.7％，说明深海仿生耐压壳体在海水运动过程中受到的阻力面积小于球形耐压壳体，且深海仿生耐压壳体具有良好的流线型，因此，同比条件下深海仿生耐压壳体所受流体阻力低于球形耐压壳体，具有良好的流体动力学特性，有利于增加潜水器的机动性；此外，由于上述深海仿生耐压壳体采用了具有良好美学特性的蛋形结构，可提高乘员舒适性，有利于延长潜水器的下潜时间。

Claims (9)

1.一种深海仿生耐压壳体，其特征在于：由左端封头(1)、右端封头(3)和中部壳体(2)构成一长度为L、宽度为B、旋转半径为R(x)的轴对称蛋壳形结构，其中，所述中部壳体(2)的厚度t2为等强度变厚结构，所述左端封头(1)的厚度t1和右端封头(3)的厚度t3分别为等厚结构，所述左端封头(1)与中部壳体(2)为固定连接，所述右端封头(3)与中部壳体(2)通过法兰螺栓(4)或者带有密封圈的活动舱盖相连接。

2.根据权利要求1所述的深海仿生耐压壳体，其特征在于：所述法兰螺栓(4)包括螺栓(41)、螺母(42)、垫圈(43)、密封圈(45)、第一法兰(44)和第二法兰(46)，其中第一法兰(44)与中部壳体(2)固定连接，第二法兰(46)与右端封头(3)固定连接。

3.根据权利要求1所述的深海仿生耐压壳体，其特征在于：所述耐压壳体的长度L与宽度B的比值为L：B＝(1.2～1.4)：1。

4.根据权利要求1所述的深海仿生耐压壳体，其特征在于：所述左端封头(1)的长度L1、右端封头(3)的长度L3分别为耐压壳体的长度L的1～30％。

5.根据权利要求1所述的深海仿生耐压壳体，其特征在于：所述左端封头(1)和中部壳体(2)连接处以及所述中部壳体(2)和右端封头(3)连接处的厚度为均匀过渡。

6.根据权利要求1所述的深海仿生耐压壳体，其特征在于：所述固定连接为焊接连接。

7.根据权利要求1所述的深海仿生耐压壳体，其特征在于：所述耐压壳体的材质为塑性材料或复合材料中的任一种，其中塑性材料最佳为钛合金或钢；复合材料最佳为碳纤维、陶瓷纤维或芳纶纤维增强的树脂基复合材料。

8.根据权利要求1所述的深海仿生耐压壳体，其特征在于：所述旋转半径R(x)的值大小为：

$R\left(x\right)=\sqrt{L^{\frac{2}{1.057{\left(\frac{L}{B}\right)}^{2.372}+1}}\·x^{\frac{2.114{\left(\frac{L}{B}\right)}^{2.372}}{1.057{\left(\frac{L}{B}\right)}^{2.372}+1}}}$

其中，x为外表面上任一点到左端封头1端面的距离，R(x)为x处的旋转半径。

9.根据权利要求1所述的深海仿生耐压壳体，其特征在于：所述中部壳体(2)的厚度t2为等强度变厚结构，当所述耐压壳体的材质为钛合金或钢时，则中部壳体(2)的厚度t2的值为：

$t2=\frac{\mathrm{PR}\left(x\right)\·\sqrt{1+{\left(R^{\′}\left(x\right)\right)}^2}\·\sqrt{3-3\·\frac{R\left(x\right)\·\sqrt{1+{\left(R^{\′}\left(x\right)\right)}^2}}{\left|\frac{[1+{\left(R^{\′}\left(x\right)\right)}^2{]}^{\frac{3}{2}}}{R^{\′\′}\left(x\right)}\right|}+\frac{{(R\left(x\right)\·R^{\′\′}\left(x\right))}^2\·(1+{\left(R^{\′}\left(x\right)\right)}^2)}{[1+{\left(R^{\′}\left(x\right)\right)}^2{]}^3}}}{2\left[\mathrm{\σ}\right]}$

其中P为计算压力，[σ]为许用应力，R'(x)为R(x)对x的一阶导数，R"(x)为R(x)对x的二阶导数；

当所述耐压壳体的材质为碳纤维、陶瓷纤维或芳纶纤维增强的树脂基复合材料时，则中部壳体(2)的厚度t2的值为：

$t2=\frac{P}{2\left[\mathrm{\σ}\right]}[2R\left(x\right)\·\sqrt{1+{\left(R^{\′}\left(x\right)\right)}^2}-\frac{R^2\left(x\right)+R^2\left(x\right)\·{\left(R^{\′}\left(x\right)\right)}^2}{\left|\frac{[1+{\left(R^{\′}\left(x\right)\right)}^2{]}^{\frac{3}{2}}}{R^{\′\′}\left(x\right)}\right|}]$

其中P为计算压力，[σ]为许用应力，R'(x)为R(x)对x的一阶导数，R"(x)为R(x)对x的二阶导数。