CN112149220B - 一种潜水器耐压壳体及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种潜水器耐压壳体，包括单元壳体、加强肋、连接通道、封头，单元壳体设有多个，依次呈螺旋式上升或螺旋式下降排列，首位及末位的单元壳体上分别设有封头，每个单元壳体上分别设有一个观察窗，水平方向相邻两个单元壳体之间分别通过一个加强肋连接，竖直方向相邻两圈的单元壳体之间至少设有两个连接通道。并公开了其设计方法。本发明采用螺旋交接结构，便于单元壳体数量的有机调整，有较好的空间利用率，有利于大幅度拓展空间；极限载荷对缺陷敏感性低，增加了轴向刚度，提高了整体抗压能力，安全性高；采用多段相同壳体通过法兰连接的方法，加工工艺较简单，降低生产制造成本；同时提供了设计方法流程，便于潜水器的设计。

Description

一种潜水器耐压壳体及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种潜水器，尤其是涉及一种潜水器耐压壳体及其设计方法。

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，各种以作业为目的的潜水器种类越来越多且发展迅速，其主要用途包括海洋资源勘探与开发、科学研究、军事探测和打捞等。

潜水器在深海承受高压和低温,海水的流动也会造成潜水器的晃动，但相反的是，潜水器所携带的各种仪器设备常常需要在常温常压下工作,潜航员的生存条件也需要和陆面接近，因此,对潜水器的耐压结构提出了很高的要求。目前，深海潜水器的耐压壳多为球形结构,球形壳体为完全对称式壳体,对于缺陷的敏感性较高,较小的初始缺陷都会造成其承载能力急剧下降，此外，由于耐压壳结构的单一性，潜航员与仪器设备等共处一室,空间利用不合理,不利于潜水器的制造与维护。

发明内容

发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种潜水器耐压壳体，提高壳体承载力，优化空间结构，并提供了其设计方法。

技术方案：一种潜水器耐压壳体及其设计方法，包括单元壳体、加强肋、连接通道、封头，所述单元壳体设有多个，依次呈螺旋式上升或螺旋式下降排列，首位及末位的所述单元壳体上分别设有所述封头，每个所述单元壳体上分别设有一个观察窗，水平方向相邻两个所述单元壳体之间分别通过一个所述加强肋连接，竖直方向相邻两圈的所述单元壳体之间至少设有两个所述连接通道。

进一步的，所述单元壳体为中空球形壳状结构，所述中空球形壳状结构外表面相对设有两个连接切面。

进一步的，每相邻两圈所述单元壳体之间的所述连接通道设有两个，分别设置于两者之间旋绕方向上的起始位置及中部位置。

最佳的，每相邻两圈首位的两个所述单元壳体通过一个所述连接通道连通，居中的两个所述单元壳体通过另一个所述连接通道连通。

进一步的，所述单元壳体呈螺旋式排列的圈数至少为三圈。

进一步的，所述加强肋的结构为圆环形。

进一步的，所述单元壳体的材料为碳纤维复合材料。

进一步的，所述单元壳体的材料为超高强度钢。

最佳的，所述单元壳体的强度大于1000MPa。

一种上述的潜水器耐压壳体的设计方法，包括以下步骤：

步骤一，设置等效圆环壳的参数：

等效圆环壳的参数包括旋转半径R、圆环截面圆半径r、工作压力P_s、弹性模量E、泊松比μ；

步骤二，根据约旦公式计算耐压壳厚度t，其计算公式为：

步骤三，取单元壳体为球壳，设置单元壳体的参数：

设置单元壳体的参数包括弹性模量E₁、泊松比μ₁、球壳厚度t₁、求半径r₁，其中，E₁＝E、μ₁＝μ、t₁＝t、r₁＝r；

步骤四，设计加强肋的参数：

加强肋的参数包括螺旋线半径R₁、螺旋线螺距B，其中，R₁＝R、B>2r；

步骤五，根据螺旋线方程计算旋转角θ，其计算公式为：

式中，a＝R₁，

步骤六，根据步骤五说的旋转角θ，计算每圈单元壳体个数n，其计算公式为：

步骤七，计算加强肋的外径D_r以及内径d_r，其计算公式为：

D_r＝2(r₁+t₁)sinα，

d_r＝D_r-2t_r，

式中，交接角为α，30°≤α≤70°，环形加强肋厚度为t_r；

步骤八，计算加强肋宽度L_r，

通过完整球壳在静水压力中的径向位移公式：

式中，P_s为耐压壳在工作深度处的最大工作压力，

E为耐压壳材料的弹性模量，与前述参数数值相等，

μ为耐压壳材料的泊松比，与前述参数数值相等，

以及加强肋所受的压力公式：

以及加强肋外径处位移公式：

并为了满足球壳与加强肋之间的变形协调，使δ_s＝δ_r，L_r计算公式为：

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：采用螺旋交接结构，便于单元壳体数量的有机调整，有较好的空间利用率，有利于大幅度拓展空间；与柱形壳以及一般多球交接壳相比，极限载荷对缺陷敏感性低，增加了轴向刚度，提高了整体抗压能力，安全性高；采用多段相同壳体通过法兰连接的方法，加工工艺较简单，降低生产制造成本；同时提供了设计方法流程，便于潜水器的设计。

附图说明

图1为本发明的设计方法中等效圆环的结构示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为本发明的设计方法中单元的结构示意图；

图4为图3的F-F剖视图；

图5为本发明的设计方法中耐压壳的主视图；

图6为本发明的设计方法中耐压壳的俯视图；

图7为图6中C-C剖视图；

图8为本发明的主视结构示意图；

图9为本发明的俯视结构示意图；

图10为本发明的侧视结构示意图；

其中，1、封头；2、单元壳体；3、加强肋；4、观察窗；5、连接通道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

一种潜水器耐压壳体，如图8～10所示，包括单元壳体2、加强肋3、连接通道5、封头1。

单元壳体2为中空球形壳状结构，单元壳体2的材料可为碳纤维复合材料或者为强度大于1000MPa的超高强度钢，中空球形壳状结构外表面相对设有两个连接切面，单元壳体2设有多个，依次呈螺旋式上升或螺旋式下降排列，水平方向相邻两个单元壳体2上的连接切面形成对接并在对接处通过一个加强肋3连接，加强肋3的结构为圆环形，螺旋式队列的首位及末位的单元壳体2上分别设有一个封头1，用于封堵未对接的连接切面，螺旋式队列的圈数至少为三圈。

每个单元壳体2上分别设有一个观察窗4，竖直方向相邻两圈的单元壳体2之间至少设有两个连接通道5，比如，连接通道5设有两个，竖直方向相邻两圈的单元壳体2首位的两个单元壳体2通过一个连接通道5连通，居中的两个单元壳体2通过另一个连接通道5连通。

本耐压壳体的每个单元壳体都为单独的个体空间，同时每圈(层)上的单元壳体形成互通，使得每圈(层)构成一个更大的个体空间，此外，每圈(层)之间有通过连接通道连通，从而使得每圈(层)形成互通，从而构成本耐压壳体。

本耐压壳体采用螺旋交接结构，便于单元壳体数量的有机调整，有较好的空间利用率，有利于大幅度拓展空间；与柱形壳以及一般多球交接壳相比，极限载荷对缺陷敏感性低，增加了轴向刚度，提高了整体抗压能力，安全性高；采用多段相同壳体通过法兰连接的方法，加工工艺较简单，降低生产制造成本。

一种上述的潜水器耐压壳体的设计方法，如图1～7所示，包括以下步骤：

步骤一，设置等效圆环壳的参数：

等效圆环壳的参数包括旋转半径R、圆环截面圆半径r、工作压力P_s、弹性模量E、泊松比μ，其中取，E＝200Gpa、μ＝0.291、R＝110mm、r＝40mm、P_s＝4Mpa；

步骤二，根据约旦公式计算耐压壳厚度t，其计算公式为：

求得t＝1.5012mm；

步骤三，设置单元壳体2的参数：

设置单元壳体2的参数包括弹性模量E₁、泊松比μ₁、球壳厚度t₁、求半径r₁，其中，E₁＝E、μ₁＝μ、t₁＝t、r₁＝r；

步骤四，设计加强肋3的参数：

加强肋3的参数包括螺旋线半径R₁、螺旋线螺距B，其中，R₁＝R、B>2r，其中取，B＝85mm；

步骤五，根据螺旋线方程计算旋转角θ，其计算公式为：

式中，a＝R₁，

螺旋式队列的圈数至少为三圈，θ＝36°；

步骤六，根据步骤五说的旋转角θ，计算每圈单元壳体2个数n，其计算公式为：

当θ＝36°，n＝10；

步骤七，计算加强肋3的外径D_r以及内径d_r，其计算公式为：

D_r＝2(r₁+t₁)sinα，

d_r＝D_r-2t_r，

式中，交接角为α，交接角α是多球交接耐压壳的一个重要的几何参数，根据Kloppel和Jungbluth的实验，30°≤α≤70°，环形加强肋3厚度为t_r，其中取，α＝45°，tr＝15mm，求得Dr＝58.6915mm，dr＝28.6915mm；

完整球壳的屈曲行为取决于t/R,而多球交接耐压壳的屈曲行为还受到环形加强肋的制约，环形加强肋的厚度和长度对多球交接影响很大。因此，要保证多球交接耐压壳在交接后球形壳的力学性能及稳定性不受影响，在设计多球交接时要采用变形协调的设计理念，目的是使交接部分环形加强肋部分的变形和完整球壳的变形一致。

步骤八，根据变形协调理论计算加强肋3宽度L_r，

通过完整球壳在静水压力中的径向位移公式：

式中，P_s为耐压壳在工作深度处的最大工作压力，

E为耐压壳材料的弹性模量，与前述参数数值相等，

μ为耐压壳材料的泊松比，与前述参数数值相等，

以及加强肋3所受的压力公式：

以及加强肋3外径处位移公式：

并为了满足球壳与加强肋3之间的变形协调，使δ_s＝δ_r，得L_r计算公式为：

代入各参数，得L_r＝4.8689mm。

本发明的耐压壳体与普通螺旋环耐压壳比较：

1几何尺寸选取：

由上述设计方法得出本耐压壳体的几何尺寸，如下表：

模型	n	B(mm)	圈数	R<sub>1</sub>(mm)	r<sub>1</sub>(mm)	t<sub>1</sub>(mm)	t<sub>r</sub>(mm)	L<sub>r</sub>(mm)	α(°)
										螺旋耐压壳	10	85	3	110	40	1.5012	15	4.8689	45

对于普通螺旋环耐压壳，仍取螺旋线半径R₂＝R＝110mm，B＝85mm，圈数为3圈，根据等容积等厚度原则求得：t₂＝t₁＝1.5012mm，r₂＝35.7613mm

普通螺旋环耐压壳几何尺寸如下表：

模型	R<sub>2</sub>(mm)	圈数	r<sub>2</sub>(mm)	t<sub>2</sub>(mm)	B(mm)
						普通螺旋环耐压壳	110	3	35.7613	1.5012	85

2承载能力比较：

本实施例中，通过下述方法，求解得出本发明的螺旋耐压壳的承载能力明显高于普通螺旋环耐压壳，具体求解方法如下：

耐压壳材料的弹性模量E＝200Gpa，泊松比μ＝0.291，屈曲强度σ_s＝680Mpa。

步骤1，三维建模：对本发明的耐压壳体与普通螺旋环耐压壳，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10000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0.2，最小增量为10^-50，最大增量为0.5，最大增长步数为1000。

承载能力计算结果如下表：

模型	Riks(MPa)
		普通螺旋环耐压壳	9.79065
螺旋耐压壳	42.9378

由上表可知，本发明的承载能力明显高于普通螺旋环耐压壳。

Claims (10)

1.一种潜水器耐压壳体，其特征在于：包括单元壳体、加强肋、连接通道、封头，所述单元壳体设有多个，依次呈螺旋式上升或螺旋式下降排列，首位及末位的所述单元壳体上分别设有所述封头，每个所述单元壳体上分别设有一个观察窗，水平方向相邻两个所述单元壳体之间分别通过一个所述加强肋连接，竖直方向每相邻两圈的所述单元壳体之间至少设有两个所述连接通道。

2.根据权利要求1所述的一种潜水器耐压壳体，其特征在于：所述单元壳体为中空球形壳状结构，所述中空球形壳状结构外表面相对设有两个连接切面。

3.根据权利要求1所述的一种潜水器耐压壳体，其特征在于：每相邻两圈所述单元壳体之间的所述连接通道设有两个，分别设置于两者之间旋绕方向上的起始位置及中部位置。

4.根据权利要求3所述的一种潜水器耐压壳体，其特征在于：每相邻两圈首位的两个所述单元壳体通过一个所述连接通道连通，居中的两个所述单元壳体通过另一个所述连接通道连通。

5.根据权利要求1所述的一种潜水器耐压壳体，其特征在于：所述单元壳体呈螺旋式排列的圈数至少为三圈。

6.根据权利要求1所述的一种潜水器耐压壳体，其特征在于：所述加强肋的结构为圆环形。

7.根据权利要求1所述的一种潜水器耐压壳体，其特征在于：所述单元壳体的材料为碳纤维复合材料。

8.根据权利要求1所述的一种潜水器耐压壳体，其特征在于：所述单元壳体的材料为超高强度钢。

9.根据权利要求8所述的一种潜水器耐压壳体，其特征在于：所述单元壳体的强度大于1000MPa。

10.一种根据权利要求1～9任一所述的潜水器耐压壳体的设计方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，设置等效圆环壳的参数：

等效圆环壳的参数包括旋转半径R、圆环截面圆半径r、工作压力P_s、弹性模量E、泊松比μ；

步骤二，根据约旦公式计算耐压壳厚度t，令P_Jo＝P_s，其计算公式为：

式中，P_Jo为圆环壳的临界屈曲载荷预测值；

步骤三，取单元壳体为球壳，设置单元壳体的参数：

设置单元壳体的参数包括弹性模量E₁、泊松比μ₁、球壳厚度t₁、求半径r₁，其中，E₁＝E、μ₁＝μ、t₁＝t、r₁＝r；

步骤四，设计加强肋的参数：

加强肋的参数包括螺旋线半径R₁、螺旋线螺距B，其中，R₁＝R、B>2r；

步骤五，根据螺旋线方程计算旋转角θ，其计算公式为：

式中，a＝R₁，

步骤六，根据步骤五说的旋转角θ，计算每圈单元壳体个数n，其计算公式为：

步骤七，计算加强肋的外径D_r以及内径d_r，其计算公式为：

D_r＝2(r₁+t₁)sinα，

d_r＝D_r-2t_r，

式中，交接角为α，30°≤α≤70°，环形加强肋厚度为t_r；

步骤八，计算加强肋宽度L_r，

通过完整球壳在静水压力中的径向位移公式：

式中，P_s为耐压壳在工作深度处的最大工作压力，

E为耐压壳材料的弹性模量，与前述参数数值相等，

μ为耐压壳材料的泊松比，与前述参数数值相等，

以及加强肋所受的压力公式：

以及加强肋外径处位移公式：

并为了满足球壳与加强肋之间的变形协调，使δ_s＝δ_r，L_r计算公式为：

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