CN112141260A

CN112141260A - 一种环形深海耐压壳

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Publication number: CN112141260A
Application number: CN202010939389.1A
Authority: CN
Inventors: 王欣; 张建; 唐文献; 王芳; 狄陈阳; 晏飞
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2020-09-09
Filing date: 2020-09-09
Publication date: 2020-12-29

Abstract

本发明涉及一种环形深海耐压壳，包括数个不完整球壳，不完整球壳是由完整球壳经相同角度镜像切割而成的两侧开口的球壳，数个不完整球壳依次拼接成封闭环形结构，两个相邻不完整球壳通过加强环肋连接。本发明环形深海耐压壳结构由多个不完整球壳组成，现有球壳制造工艺成熟，加工简便，成本低，且壳体精度高，结构缺陷低。

Description

一种环形深海耐压壳

技术领域

本发明涉及一种耐压壳，尤其涉及一种环形深海耐压壳，属于潜水器技术领域。

背景技术

耐压壳是潜水器的主体结构和浮力单元，为潜水器提供浮力,也为站内非耐压设备提供可靠的运行环境，其重量占潜水器总重的1/4～1/2。耐压壳要求具有良好的力学特性、流体力学特性，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。

现有的普通圆环形耐压壳，结构如图1，具有以下不足：

1.制造工艺尚不成熟，加工困难，成本高；

2.由于环壳截面周向应力各不相等，故不便于在其结构上进行开孔，不利于潜水器的制造；

3.承载能力较差，容易失稳，安全性较低。

申请号为202010127492.6的中国发明专利，公开了一种深海环形耐压壳，虽然解决了一些力学问题，但仍有以下不足：

1.结构上采用数个纺锤形壳体环接而成，纺锤形壳体由两次无模胀形而得，精度不易控制，难以得到预先设定的纺锤形参数，且纺锤形壳体的原型是由多条板材弯曲焊接而成，精度低，加工制造复杂。

2.对于抗压性能，该专利由多条板材弯曲焊接然后经两次胀形得来，壳体周向焊缝多，壳体结构缺陷高，且两次胀形会导致板材减薄，均会降低壳体的抗压性能。

3.纺锤形壳体交接处的环肋没有考虑变形协调理论，容易使靠近加强环肋处的壳体发生失稳，或者是由于加强环肋受压屈服而导致失稳；严格来讲，该专利的环肋并不能起到加强作用，因为壳体受到的是外压，该专利的环肋附加在壳体外侧且没有与壳体成为一体结构。

发明内容

本发明提供了一种环形深海耐压壳，以解决现有技术中耐压壳制造精度低、制造难度大、耐压性能低的技术问题。

本发明提供了一种环形深海耐压壳，包括数个不完整球壳，不完整球壳是由完整球壳经相同角度镜像切割而成的两侧开口的球壳，数个不完整球壳依次拼接成封闭环形结构，两个相邻不完整球壳通过加强环肋连接。

进一步地，由所述不完整球壳与所述加强环肋的交接点、所述不完整球壳的球心以及所述加强环肋的环心形成交接角β的角度范围为30°≤β≤70°。

进一步地，所述加强环肋的宽度a、厚度b以及外径D的关系如下：

其中，r为不完整球壳的半径；μ为耐压壳材料的泊松比。

进一步地，所述不完整球壳的球缺高h为：

h＝r(1-cosβ)

进一步地，不完整球壳个数为：

其中，θ为旋转角，

R为旋转半径。

本发明的有益效果：

1.该环形深海耐压壳结构由多个不完整球壳组成，现有球壳制造工艺成熟，加工简便，成本低，且壳体精度高，结构缺陷低。

2.球壳应力分布均匀，对于球壳来讲，在其结构上任意位置进行开孔作用效果相同，便于后期用于潜水器，满足其开孔需求。

3.球壳连接处采用加肋结构，且肋结构尺寸满足变形协调设计理念，克服了多球壳连接常见的两种破坏形式，极大地提高了整体结构的承载能力。

4.根据等体积等质量原则进行计算比较得出，该环形深海耐压壳结构的抗压能力显著高于普通圆环形耐压壳，安全性能高。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为现有圆形深海耐压壳示意图；

图2为本发明具体实施例的主视图；

图3为本发明具体实施例主视图A-A处局部剖视图；

图4为本发明具体实施例中加强环肋的主视图；

图5为本发明具体实施例中加强环肋的剖视图；

图6为本发明具体实施例结构位移分布图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-6所示的本发明实施例提供一种环形深海耐压壳，包括数个不完整球壳12，不完整球壳12是由完整球壳经相同角度镜像切割而成的两侧开口的球壳，数个不完整球壳12依次拼接成封闭环形结构，两个相邻不完整球壳12通过加强环肋11连接。

环形深海耐压壳的尺寸关系如下，其中不完整球壳个数为n，旋转半径为R，球半径为r，球缺高为h，交接角为β，球的材料密度为ρ₁，球厚度为t₁，水的密度为ρ₂，旋转角为θ，浮力系数η，D和d分别为加强环肋的外径和内径，a和b分别为加强环肋厚度和宽度：

D＝2(r+t₁)sinβ

R≥2r

h＝r(1-cosβ)

此时不完整球壳的体积为：

V₂＝V_球-2V₁

其中，V_球为球壳整体体积，V₁为从球体上切割下来的球缺体积，

所以

则可得环形深海耐压壳结构体积公式：

球冠面积公式：

S₁＝2πrh

不完整球壳面积公式：

S₂＝S_球-2S₁＝4πr²-4πrh

不完整球壳质量公式：

m₁＝ρ₁v＝ρ₁s₂t₁＝ρ₁*(4πr²-4πrh)t₁

加强环肋质量公式：

则环形深海耐压壳质量公式：

浮力系数(即重量-排水量比)公式：

本发明在设计时加入了变形协调设计，可以保证球壳开孔连接后的变形位移量与完整球壳的变形位移量一致，从而得到结构最优的加强环肋参数组合，以避免出现多球壳连接常见的两种破坏形式。

加强环肋等效于不完整球壳所失去的那部分球壳，因此，任一侧不完整球壳对加强环肋沿其外缘的线压力为

忽略与耐压壳旋转轴平行的纵向分量对加强环肋应力和位移的影响，假定其径向分量均匀地作用在加强环肋的外表面上，则加强环肋所受压力为：

其中，F为不完整球壳沿加强环肋外缘的线应力，

孔为耐压壳在工作深度处的静水压力。

完整球壳在静水压力下的径向位移公式：

其中，E为耐压壳材料的弹性模量，μ为耐压壳材料的泊松比。

加强环肋径向位移公式：

其中，P₂为加强环肋受到的均布外载荷。

根据变形协调设计理念，则有

δ₁＝δ₂

由上式可确定a、D和b之间的函数关系：

普通圆环形耐压壳体积公式：

V_环＝2πRπr²

普通圆环形耐压壳质量公式：

m_环＝ρ₁V＝ρ₁2πR2πrt₂

根据等体积等质量原则：

V_环壳＝V_环 (1)

m_环壳＝m_环 (2)

以下将环形深海耐压壳与普通圆环形耐压壳进行比较：

1.几何尺寸选取：

本发明环形深海耐压壳尺寸：

交接角β是环形深海耐压壳的一个重要的几何参数，交接角取值应在30°到70°之间，即30°≤β≤70°，θ＝36°，R＝300mm，r＝60mm，t₁＝2mm，b＝6mm，则n、β、D与a可根据几何尺寸公式及协调理论公式获得：n＝10，β＝39.417°，D＝78.735mm，a＝19.717mm。

环形深海耐压壳几何尺寸如下表1：

表1

对于普通圆环形耐压壳，仍取R＝300mm，则t₂，r，可根据上述公式(1)、(2)所示的等体积等质量原则求得：

由公式(1)代入数值得r＝53.26mm，

由公式(2)代入数值得t＝2.558mm。

普通圆环形耐压壳几何尺寸如下表2：

模型	R(mm)	r(mm)	t2(mm)
				普通圆环形耐压壳	150	53.26	2.558

表2

2.承载力比较：

通过以下步骤证明本发明实施例所述的环形深海耐压壳的承载力高于普通圆环形耐压壳，具体步骤如下，其中，材料选用钛合金Ti-6A1-4V(TC)，屈曲强度σ_s＝830MPa，弹性模量E＝110GPa，泊松比μ＝0.3，密度ρ₁＝4.5g/cm³：

步骤1，三维建模：

对普通圆环形耐压壳和环形深海耐压壳，利用三维建模软件SolidWorks进行三维曲面建模；

步骤2，网格划分：

对步骤1中的三维建模，采用ansa软件对模型进行网格划分，网格形状为四边形，网格数量约20000个；

步骤3，临界压力求解：

采用Abaqus软件，通过Riks法计算，对步骤2中每种三维模型中的网格进行比较，边界条件为经典三点边界条件，Riks法详细求解参数设置如下：初始增量为0.5，最小增量为10^-50，最大增量为0.9，最大增长步数为1000。

承载能力计算结果如下表3：

模型	Riks(MPa)
		普通圆环形耐压壳	10.467
环形深海耐压壳	55.11

表3

由表3可知，环形深海耐压壳的承载能力明显高于普通圆环形耐压壳。

如图6所示，环形深海耐压壳破坏形式在最外侧，靠近加强环肋处的球壳没有发生破坏，既没有而向内侧凹陷，也没有向外侧凸出，避免出现了多球壳常见的两种破坏形式。

中国船级社球形耐压壳强度校核公式：

由公式(3)代入数值得σ＝826.65MPa，小于σ₈＝830MPa，故环形深海耐压壳满足强度要求。

一般壳体结构的屈曲载荷计算公式：

由公式(4)代入数值得P_cr＝147MPa。

为合理对环形深海耐压壳的屈曲载荷进行评估，在公式(4)的基础上引入参数K，则

代入数值得K＝0.3749，则可得环形深海耐压壳的屈曲载荷计算公式：

P＝KP_cr；(K取0.3-0.5)

(27)

由于环形深海耐压壳完全浸没，故

V_排＝V_环壳

V_排＝8399cm³

m_环壳＝3971g

由公式

代入数值得浮力系数η＝0.472。故该环形深海耐压壳浮力系数小，便于潜水器上浮。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims

1.一种环形深海耐压壳，其特征在于，包括：数个不完整球壳，不完整球壳是由完整球壳经相同角度镜像切割而成的两侧开口的球壳，数个不完整球壳依次拼接成封闭环形结构，两个相邻不完整球壳通过加强环肋连接。

2.如权利要求1所述的环形深海耐压壳，其特征在于，由所述不完整球壳与所述加强环肋的交接点、所述不完整球壳的球心以及所述加强环肋的环心形成交接角β的角度范围为30°≤β≤70°。

3.如权利要求1所述的环形深海耐压壳，其特征在于，所述加强环肋的宽度a、厚度b以及外径D的关系如下：

其中，r为不完整球壳的半径；μ为耐压壳材料的泊松比。

4.如权利要求1所述的环形深海耐压壳，其特征在于，所述不完整球壳的球缺高h为：

h＝r(1-cosβ)。

5.如权利要求1所述的环形深海耐压壳，其特征在于，不完整球壳个数为：

其中，θ为旋转角，

R为旋转半径。