CN108614912A - 一种球形耐压壳力学特性分析计算方法 - Google Patents

一种球形耐压壳力学特性分析计算方法 Download PDF

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张建
唐文献
崔维成
王芳
潘彬彬
陈赟
朱永梅
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Shanghai Maritime University
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Abstract

本发明公开了一种更适用于球形耐压壳的力学特性分析方法，进而基于真实的缺陷准确得出球形耐压壳的实际承载力，保证深潜器的安全性及可靠性。具体步骤如下：第一步：确定耐压壳表面几何参数；第二步：确定耐压壳壁厚参数；第三步：确定耐压壳材料参数；第四步：计算球形耐压壳的强度及刚度；第五步：计算球形耐压壳的承载力；Step1:建立数值几何模型；完全基于三维扫描获得的真实几何形状，建立球壳的有限元模型，Step2:划分网格；Step3:设置材料参数；Step4：设置非线性屈曲分析参数；采用改进的Riks法进行分析；Step6:获得球形耐压壳的承载力及失稳模式。

Description

一种球形耐压壳力学特性分析计算方法
技术领域
本发明涉及一种球形耐压壳力学特性分析计算方法。
背景技术
潜水器结构通常是由更具流线型的轻外壳和提供常压工作环境的耐压壳组成。耐压壳是潜水器结构的重要组成部分，密闭的空间保证了壳内压力的稳定及深水中人员作业的安全；同时，也是潜水器浮力的主要提供者，其重量占潜水器总重量的1/4～1/2。因此，耐压壳体的强度及稳定性的研究是保证潜水器工作可靠性的重要一步。现有设计规范及相关专利依然存在如下技术缺陷：
1、现有设计规范(CCS2013)中,球形耐压壳的强度应力计算基于薄壳理论，而适用于大深度深潜器的耐压壳往往是中厚壳，薄壳理论已不适用于中厚壳的理论计算。
2、设计规范(CCS2013)没有涉及耐压壳变形的计算公式。耐压壳在深海下会产生较大的变形，此变形会影响到布置在耐压壳内部的装置。故而耐压壳的刚度也是必要的校核因素。
3、申请号为CN201710232949.8与申请号CN201710233630.7的发明专利提出了基于一阶模态缺陷的球形耐压壳的承载力预测公式，此预测公式仅适用于耐压壳设计阶段。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种更适用于球形耐压壳的力学特性分析方法，进而基于真实的缺陷准确得出球形耐压壳的实际承载力，保证深潜器的安全性及可靠性。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种球形耐压壳力学特性分析计算方法，具体步骤如下：
第一步：确定耐压壳表面几何参数；采用高精度三维扫描仪获取耐压壳表面几何形状，再通过逆向处理，获取球壳的平均半径r；
第二步：确定耐压壳壁厚参数；采用无损测厚仪等间距的测量耐压壳的壁厚，获取平均厚度t；
第三步：确定耐压壳材料参数；获取母材的材料参数：泊松比ν、弹性模量E和屈服强度σ。
第四步：计算球形耐压壳的强度及刚度；将前三步获取的参数及耐压壳的工作压力导入基于厚壳理论的应力与变形公式，分别求得球形耐压壳的强度与刚度结果；
第五步：计算球形耐压壳的承载力；
Step1:建立数值几何模型；完全基于三维扫描获得球壳外表面的真实几何形状，建立球壳的有限元模型；此模型中包含了真实初始几何缺陷，模型的厚度由外表面向内赋值，厚度赋值为无损测厚的平均壁厚或者按照无损测厚获得的每个离散点的值对应赋值；且当厚度测量值的标准差小于0.03，选择平均壁厚进行厚度赋值；
Step2:划分网格；数值几何模型需划分成四边形和三边形网格，保证四边形网格数占总网格的90％以上；网格尺寸需通过网格密度的收敛性分析确定；
Step3:设置材料参数；设置相应材料的弹性模量，泊松比及屈曲强度参数；
Step4：设置非线性屈曲分析参数，采用改进的Riks法进行分析；改进的Riks法的计算参数设置如下：静态平衡路径的初始弧长增量选用小于1的数值；最小弧长增量设置为不大于1e-5的数值；最大弧长增量设置为小于1的数值；弧长增量步数的设置值不小于100；载荷极限值(Maximum load proportionality factor)设置为不小于计算压力的数值；
Step5:设置边界条件及载荷；为了消除模型的刚性位移，在三个正交方向分别约束三个随机空间点，以限制其六个方向的自由度；同时，将小于计算压力p的载荷均匀施加在球壳外表面；
Step6:获得球形耐压壳的承载力及失稳模式；按照上述步骤设置后，提交分析作业；分析结束后在历程输出中提取LPF曲线，曲线首次出现的波峰值与施加载荷的乘积便为耐压壳的承载力；此外，球壳的最终失稳模式即为后屈曲阶段的球壳位移变化模式。
作为一种优选的方案，所述应力与变形公式为内表面应力与变形公式，公式如下：
式中：σ、μ为球壳内表面应力及变形,ri为球壳内表面半径；p为耐压壳计算压力；
作为一种优选的方案，所述耐压壳计算压力p，可由下式获得：
p＝kρwatergh/0.9 (3)
式中，k为安全系数；ρwater为水的密度；g为重力加速度；h为水深；
作为一种优选的方案，所述网格尺寸与球壳半径的比值在0.03-0.07之间。
作为一种优选的方案，所述均匀施加在球壳外表面的载荷为1MPa。
本发明的有益效果是：本方法将厚壳理论用于耐压壳的强度校核，更适用于中厚度耐压壳的校核计算。而且本方法使用高精度三维扫描仪获取耐压壳表面几何形态。基于真实的表面几何形态进行非线性屈曲分析，可获得准确的耐压壳承载力。
附图说明
图1球壳扫描获取的几何模型及其网格划分
图2LPF曲线
图3球壳数值与试验失稳图
具体实施方式
为验证本发明方法的可行性，制造缩比模型进行实施例操作。采用304不锈钢制作名义半径为75mm,厚度为0.7mm的球壳。设计工作水压为3MPa，考虑1.5倍的安全系数，计算水压为4.5MPa。按照本发明的方法步骤进行强度、刚度及承载力计算，并进行静水压力试验验证本发明方法的可靠性。
第一步：确定耐压壳表面几何参数。采用高精度三维扫描仪获取耐压壳外表面几何。球壳半径的测量数据列于下表1的第2-4列。
表1球壳几何参数的测量数据
第二步：确定耐压壳壁厚参数。采用无损测厚仪等间距的测量耐压壳的壁厚。测量的厚度数据列于表1的后3列，且厚度的标准差为0.022。
第三步：确定耐压壳材料参数。采用单轴拉伸试验获取母材的材料参数。试验结果如下：泊松比为0.291，弹性模量为191GPa，屈服强度为291MPa。
第四步：计算球形耐压壳的强度及刚度。根据公式1及公式2，分别计算出应力及变形结果:σ＝238.6MPa，u＝0.065mm。
第五步：计算球形耐压壳的承载力。
Step1:建立数值几何模型。将三维扫描获得的真实几何形状用于建立球壳的有限元模型，如图1中a所示。厚度测量值的标准差为0.022小于0.03，可选择平均壁厚进行厚度赋值，故模型的厚度赋值试验测量的平均厚度为0.708mm。
Step2:划分网格。模型划分网格总数为9079，四边形网格数量为8863，三角形网格数量为216。四边形网格尺寸约3.2x3.2mm，如图1中b所示。
Step3:设置材料参数。按照第三步中试验获取的材料参数，设置对应材料的弹性模量，泊松比及屈曲强度。
Step4：设置球形耐压壳非线性屈曲分析参数。采用改进的Riks法进行分析。改进的Riks法的计算参数设置如下：静态平衡路径的初始弧长增量为0.1；弧长增量步数为200；最小弧长增量是5e-5；最大弧长增量为0.5；载荷极限值设定为10。
Step5:设置边界条件及载荷。为避免刚体运动，在三个正交方向分别约束三个随机空间点。同时，将1MP载荷均匀施加在球壳外表面。
Step6:获得球形耐压壳的承载力及失稳模式。按照上述步骤设置后，提交分析作业。分析结束后在历程输出中提取LPF(Load proportionality factor)曲线，如图2所示。LPF曲线的最大值为3.155，故球壳承载力为3.155MPa。球壳的最终失稳模式为后屈曲阶段的球壳位移变化模式，如图3中a所示。
综合上述步骤，可得球形耐压壳的强度、刚度及承载力结果，分别为σ＝238.6MPa，u＝0.065mm，p＝3.155MPa。
为了验证本发明方法的可靠性，将不锈钢球壳进行静水压力试验。球壳水压试验结果列于表2的第二列，球壳的压溃模型见图3b。试验结果与本方法计算结果的比值为0.99，验证了本发明提供的方法的准确性与可靠性，且通过图3可知失稳模式也基本一致。
表2试验与数值结果
上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种球形耐压壳力学特性分析计算方法，具体步骤如下：
第一步：确定耐压壳表面几何参数；采用高精度三维扫描仪获取耐压壳表面几何形状，再通过逆向处理，获取球壳的平均半径r；
第二步：确定耐压壳壁厚参数；采用无损测厚仪等间距的测量耐压壳的壁厚，获取平均厚度t；
第三步：确定耐压壳材料参数；获取母材的材料参数：泊松比ν、弹性模量E和屈服强度σ；
第四步：计算球形耐压壳的强度及刚度；将前三步获取的参数及耐压壳的工作压力导入基于厚壳理论的应力与变形公式，分别求得球形耐压壳的强度与刚度结果；
第五步：计算球形耐压壳的承载力；
Step1:建立数值几何模型；完全基于三维扫描获得球壳外表面的真实几何形状，建立球壳的有限元模型；此模型中包含了真实初始几何缺陷，模型的厚度由外表面向内赋值，厚度赋值为无损测厚的平均壁厚或者按照无损测厚获得的每个离散点的值对应赋值；且当厚度测量值的标准差小于0.03，选择平均壁厚进行厚度赋值；
Step2:划分网格；数值几何模型需划分成四边形和三边形网格，保证四边形网格数占总网格的90％以上；网格尺寸需通过网格密度的收敛性分析确定；
Step3:设置材料参数；设置相应材料的弹性模量，泊松比及屈曲强度参数；
Step4：设置非线性屈曲分析参数，采用改进的Riks法进行分析；改进的Riks法的计算参数设置如下：静态平衡路径的初始弧长增量选用小于1的数值；最小弧长增量设置为不大于1e-5的数值；最大弧长增量设置为小于1的数值；弧长增量步数的设置值不小于100；载荷极限值设置为不小于计算压力的数值；
Step5:设置边界条件及载荷；为了消除模型的刚性位移，在三个正交方向分别约束三个随机空间点，以限制其六个方向的自由度；同时，将小于计算压力p的载荷均匀施加在球壳外表面；
Step6:获得球形耐压壳的承载力及失稳模式；按照上述步骤设置后，提交分析作业；分析结束后在历程输出中提取LPF曲线，曲线首次出现的波峰值与施加载荷的乘积便为耐压壳的承载力；此外，球壳的最终失稳模式即为后屈曲阶段的球壳位移变化模式。
2.如权利要求1所述的球形耐压壳力学特性分析计算方法，其特征在于：所述应力与变形公式为内表面应力与变形公式，公式如下：
式中：σ、μ为球壳内表面应力及变形；ri为球壳内表面半径；p为耐压壳计算压力。
3.如权利要求1所述的球形耐压壳力学特性分析计算方法，其特征在于：所述网格尺寸与球壳半径的比值在0.03-0.07之间。
4.如权利要求1所述的球形耐压壳力学特性分析计算方法，其特征在于：所述均匀施加在球壳外表面的载荷为1MPa。
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