CN115195934B - 一种加肋波纹蛋形耐压壳及其加工方法 - Google Patents

一种加肋波纹蛋形耐压壳及其加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种加肋波纹蛋形耐压壳及其加工方法。属于深海潜水器技术领域，包括大、小端封头平板、纵肋、环肋及波纹蛋片体；其加工步骤：确定纵肋肋骨轮廓方程；设计加肋波纹蛋形耐压壳截面；按照壳体展开图划线、切割下料；12片壳体折弯；确定纵肋的尺寸；加工纵肋；将折弯后的片体与纵肋组装焊接；两端封头平板组装焊接；根加工环肋；将环肋组装焊接在耐压壳上；加肋波纹蛋形耐压壳的加工完毕。本发明采用波纹蛋形耐压壳结构，降低加工难度且保证安全性；采用变厚肋骨结构，利用纵肋和环肋焊接在蛋形耐压壳外部的形式，使抗压性能、材料利用率均得到提高；在保证耐压壳强度和刚度的同时减小了壳体的总体质量，减小成本，易于加工制造。

Description

一种加肋波纹蛋形耐压壳及其加工方法
技术领域
本发明属于深海潜水器技术领域，涉及一种深海潜水器耐压装置及加工方法，更具体地说，涉及一种加肋波纹蛋形耐压壳及其加工方法。
背景技术
潜水器是大洋勘查与深海科学研究的重要装备，作为潜水器的重要组成部分，耐压装备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。耐压装备的设计对潜水器安全性、机动性、空间利用率和人机环等性能具有重要影响。深海潜水器耐压壳多为球形结构，具有强度高、稳定性好、浮力系数低、材料利用率高等优点，但空间利用率低、水动力学特性差，对于缺陷相当敏感、加工制造难度大，无法最优协调潜水器的安全性、载运能力和人机环特性。
专利号为ZL201510073803.4(一种深海仿生耐压壳体)，提出了一种概念性的蛋形仿生耐压壳体，并指出蛋形仿生壳可以综合协调强度、稳定性、空间利用率、流线型等功能，是一种优异的仿生原型，但普通蛋形耐压壳在深海作业时容易发生屈服，且该专利没有给出具体的加工方法。申请号为202210071068.3(一种叠层蛋形耐压壳及其加工方法)，提出了一种叠层蛋形耐压壳的设计，虽然提高了壳体的抗压能力，但是很大程度上增加了耐压壳的总体质量。综上所述，最终归纳存在如下三个问题：1、传统蛋形耐压壳为理想的蛋形结构，在静水压力的作用下容易发生屈曲，失效因素较多，加工难度大且安全性能低；2、传统的单层蛋形结构设计抗压能力相较于柱形、锥形和环形有所改善，但效果还是不够显著，无法满足更大深度的深海作业；3、为了提高耐压壳的抗压能力和使用寿命，我们往往会设计出多层的蛋形耐压壳或者增加壳体的厚度，导致耐压壳总体质量大大增加，不易于加工且成本较高。
因此，针对上述问题，在现有研究基础上，发明一种结构简单可靠，制造方便的加肋波纹蛋形耐压壳装置对提高壳体的力学分布、抗压能力、降低制造成本都具有重要意义。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供了一种加肋波纹蛋形耐压壳及其加工方法。
技术方案：本发明所述的一种加肋波纹蛋形耐压壳装置，包括上端的小端封头平板(1)及下端的大端封头平板(5)；
在所述小端封头平板(1)与大端封头平板(5)之间安设有波纹蛋片体(4)，在所述小端封头平板(1)与大端封头平板(5)之间、所述波纹蛋片体(4)的外部等距安设有若干根纵肋(2)；
在若干根所述纵肋(2)的中下端安设有用于连接纵肋(2)的环肋(3)。
进一步的，所述纵肋(2)的根数至少是12根。
进一步的，若干根所述的纵肋(2)与小端封头平板(1)与大端封头平板(5) 之间焊接连接。
进一步的，所述小端封头平板(1)及大端封头平板(5)均包括安置在内部的中心端，在所述中心端的周边均布安设有至少12个延伸端。
进一步的，一种加肋波纹蛋形耐压壳装置的加工方法，其具体操作步骤如下：
步骤1、确定纵肋2的肋骨轮廓方程，其中纵肋2的肋骨轮廓方程采用N-R 方程设计；
步骤2、设计加肋波纹蛋形耐压壳截面；
步骤3、按照壳体展开图划线、切割下料；
步骤4、将12片壳体折弯；
步骤5、根据力学公式确定纵肋2的尺寸；
步骤6、根据纵肋2图纸加工出纵肋2；
步骤7、将折弯后的12片壳体与纵肋2组装焊接；每根纵肋两边各焊接上一片折弯后的壳体，12片壳体和12根纵肋交替焊接成一个完整的壳体；
步骤8、两端封头平板组装焊接；根据示意图的轮廓切割出上下封头平板，再分别将其焊接在焊接好的完整壳体上；
步骤9、根据环肋3图纸加工出环肋3；
步骤10、将环肋3组装焊接在耐压壳上；再将加工好的环肋3一一对应焊接在加肋波纹蛋形耐压壳体上；加肋波纹蛋形耐压壳的加工完毕。
有益效果：本发明与现有技术相比，本发明的特点：1、采用波纹蛋形耐压壳结构，每一片壳体均承受拉应力，所以该耐压结构不会发生屈曲，屈服成为唯一的失效因素，降低加工难度且保证安全性；2、采用变厚肋骨结构，利用纵肋和环肋焊接在蛋形耐压壳外部的形式，使抗压性能、材料利用率均得到提高；3、在保证耐压壳强度和刚度的同时减小了壳体的总体质量，减小成本，易于加工制造。
附图说明
图1是本发明中加肋波纹蛋形耐压壳结构示意图；
图2是本发明中加肋波纹蛋壳肋骨轮廓方程示意图；
图3是本发明中加肋波纹蛋形耐压壳截面设计示意图；
图4是本发明中加肋波纹蛋形耐压壳片体展开示意图；
图5是本发明中加肋波纹蛋形耐压壳片体折弯后示意图；
图6是本发明中加肋波纹蛋形耐压壳纵肋肋骨截面示意图；
图7是本发明中加肋波纹蛋形耐压壳纵肋结构示意图；
图8是本发明中加肋波纹蛋形耐压壳环肋结构示意图；
图9是本发明中加肋波纹蛋形耐压壳两端封头结构示意图；
图10是本发明中加肋波纹蛋形耐压壳壳体焊接完成示意图；
图11是本发明中加肋波纹蛋形耐压壳两端封头焊接完成示意图；
图12是本发明中加工制作流程图加工制作流程图；
图13为普通蛋壳LPF曲线；
图14是本发明中加肋波纹蛋壳LPF曲线；
图15为普通蛋壳和加肋波纹蛋形耐压壳仿真结果对比图；
图1中1是小端封头平板，2是纵肋，3是环肋，4是波纹蛋片体，5是大端封头平板。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，为本发明的一种加肋波纹蛋形耐压壳装置，包括小端封头平板 1、纵肋2、环肋3、波纹蛋片体4、大端封头平板5。
其中、(1)、壳体形状设计
加肋波纹蛋形耐压壳的肋骨轮廓方程采用N-R方程设计，母线方程如式(1) 所示：
其中，f(x)为波纹蛋壳的肋骨轮廓方程；L为蛋形耐压壳的长轴，B为蛋形耐压壳的短轴，其加肋波纹蛋壳肋骨轮廓方程示意图如图2所示；
在确立了肋骨轮廓的前提下进行截面轮廓设计，其示意图如图3所示；先取半径为R1的圆，在圆内内接正十二边形，圆内接正十二边形所对的圆心角为θ，圆内接正十二边形边长为a，则满足下式：
a＝2R1sin(π/n)＝2R1sin(π/12) (3)
其中，θ为圆内接正十二边形所对的圆心角，R1为圆的半径，a为圆内接正十二边形边长；
再以正十二边形的边长为弦，以β为圆心角画圆弧，该段圆弧对应的圆心 O2在半径为R2的圆上，β和R2满足下式：
加肋波纹蛋形耐压壳截面轮廓设计完成，再将轮廓通过母线扫描成完整壳体；采用三维建模软件SolidWorks将波纹蛋壳的每一片片体展平，其结构示意图如图4所示，折弯后的片体如图5所示。
(2)、纵肋2设计
根据力学公式确定纵肋的尺寸；在设计肋时，由于多种客观因素的限制，在选择肋的横截面时，不仅考虑所需要的截面模量，而且还要使横截面面积减到最小，在保证蛋形耐压壳装置的强度和刚度的同时最大程度的减小总体质量；加肋波纹蛋形耐压壳纵肋肋骨截面示意图如图6所示；肋的横截宽度为常数b，高度为变量h1，要求保持不变的许用应力σw，考虑弯矩设计来看，每一横截面处，都必须适合方程：
σw＝M/S (6)
M为弯矩，S为截面模量；对于矩形，
S＝bh1 2/6 (7)
且M＝Px (8)
则σw＝6Px/(bh1 2) (9) 而其它任意截面处的高度为：
根据设计的纵肋尺寸画出纵肋的结构，加肋波纹蛋形耐压壳纵肋2结构示意图如图7所示；
(3)、环肋3设计
根据设计的环肋3尺寸画出环3肋的结构，加肋波纹蛋形耐压壳环肋3结构示意图如图8所示；
(4)、封头平板设计
根据波纹蛋壳截面轮廓设计尺寸画出两端的封头平板结构，加肋波纹蛋形耐压壳两端封头结构示意图如图9所示；
一种加肋波纹蛋形耐压壳的加工方法，包括如下步骤：
第一步：确定纵肋2肋骨轮廓方程；纵肋2肋骨轮廓方程采用N-R方程设计，其示意图如图2所示；
第二步：设计加肋波纹蛋形耐压壳截面；各个设计参数在壳体形状设计中已经给出，加肋波纹蛋形耐压壳截面设计示意图如图3所示；
第三步：按照壳体展开图划线、切割下料；加肋波纹蛋形耐压壳片体展开示意图如图4所示；
第四步：12片壳体折弯；通过折弯机将上一步展开得到的片体折弯，折弯后示意图如图5所示。
第五步：根据力学公式确定纵肋2的尺寸；根据上述纵肋2设计的公式确定纵肋的尺寸，纵肋2肋骨截面示意图如图6所示；
第六步：根据纵肋2图纸加工出纵肋2；加肋波纹蛋形耐压壳纵肋结构示意图如图7所示；
第七步：将折弯后的片体与纵肋2组装焊接；每根纵肋2两边各焊接上一片折弯后的壳体，12片壳体和12根纵肋2交替焊接成一个完整的壳体，加肋波纹蛋形耐压壳壳体焊接完成示意图如图10所示；
第八步：两端封头平板组装焊接；加肋波纹蛋形耐压壳两端封头结构示意图如图9所示，根据示意图的轮廓切割出上下封头平板，再分别将它们焊接在上一步焊接好的完整壳体上，加肋波纹蛋形耐压壳两端封头焊接完成示意图如图11 所示；
第九步：根据环肋3图纸加工出环肋3；根据环3尺寸画出加肋波纹蛋形耐压壳环肋结构示意图如图8所示，再加工出环肋。
第十步：将环肋3组装焊接在耐压壳上；将上一步加工好的环肋一一对应焊接在蛋形耐压壳体上；
最终，一种加肋波纹蛋形耐压壳的加工完毕；加工制作流程图加工制作流程图如图12所示；
根据上述加工方法，以确定尺寸计算加肋波纹蛋形耐压壳的承载力。
Step1：建立数值几何模型；根据图2中的母线取蛋形耐压壳的长轴L＝400mm， B＝276mm，壳体选择平均壁厚进行厚度赋值，平均厚度为1mm，这是普通蛋壳的有限元模型；在上述基础上加12根纵肋和1根环肋，建立加肋波纹蛋壳的有限元模型，具体模型参数如表1所示。
表1模型参数
Step2：划分网格；普通蛋壳模型划分网格总数为15791，全都是四边形网格；加肋波纹蛋壳模型划分网格总数为23772，四边形网格数量为22856，三角形网格数量为916；
Step3：设置材料参数；默认壳体和肋属于同一种材料，设置材料的弹性模量为180119MPa和泊松比为0.3；
Step4：设置两种模型非线性屈曲分析参数；利用商业软件ABAQUS中的改良Riks法进行分析，使用有限元方法对普通蛋形和加肋波纹蛋壳进行了几何非线性弹性分析，该数值分析参考了欧洲标准(欧洲规范，2009)和中国标准(中国船级社，2018)；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0.05，弧长增量步数为200，最小弧长增量是1e-5，最大弧长增量为 0.1，载荷极限值设定为20，数值分析的求解参数见表2。
表2数值分析的求解参数
Step5：设置边界条件及载荷；采用上端封头平板全固定的定位方式，同时将1MPa载荷均匀施加在两个模型的外表面；
Step6：获得普通蛋壳和加肋波纹蛋壳的承载力；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13所示；普通蛋壳的LPF曲线的最大值为4.270，故普通蛋壳承载力为 4.270MPa；如图14所示，加肋波纹蛋壳的LPF曲线的最大值为18.469，故普通蛋壳承载力为18.469MPa；
两者的对比结果如图15所示，加肋波纹蛋壳的承载力约是普通蛋壳的4.3 倍，进一步证明了加肋波纹蛋形耐压壳的优越性和本申请的可靠性。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种加肋波纹蛋形耐压壳装置的加工方法，其特征在于：加肋波纹蛋形耐压壳装置包括上端的小端封头平板(1)及下端的大端封头平板(5)；
在所述小端封头平板(1)与大端封头平板(5)之间安设有波纹蛋片体(4)，在所述小端封头平板(1)与大端封头平板(5)之间、所述波纹蛋片体(4)的外部等距安设有若干根纵肋(2)；
在若干根所述纵肋(2)的中下端安设有用于连接纵肋(2)的环肋(3)；
所述纵肋(2)的根数是12根；
12根所述的纵肋(2)与小端封头平板(1)与大端封头平板(5)之间焊接连接；
所述小端封头平板(1)及大端封头平板(5)均包括安置在内部的中心端，在所述中心端的周边均布安设有12个延伸端；
所述的加工方法具体操作步骤如下：
步骤1、确定纵肋(2)的肋骨轮廓方程，其中纵肋(2)的肋骨轮廓方程采用N-R方程设计；母线方程为：
其中，f(x)为波纹蛋壳的肋骨轮廓方程；L为蛋形耐压壳的长轴，B为蛋形耐压壳的短轴；
步骤2、设计加肋波纹蛋形耐压壳截面；
先取半径为R1的圆，在圆内内接正十二边形，圆内接正十二边形所对的圆心角为θ，圆内接正十二边形边长为a，则满足下式：
θ＝π/6
a＝2R1sin(π/12)
其中，θ为圆内接正十二边形所对的圆心角，R1为圆的半径，a为圆内接正十二边形边长；再以正十二边形的边长为弦，以β为圆心角画圆弧，该圆弧对应的圆心O2在半径为R2的圆上，β和R2满足下式：
β＝π/2
R2＝R1+a/2＝R1+R1×sin(π/12)
加肋波纹蛋形耐压壳截面轮廓设计完成；
步骤3、按照壳体展开图划线、切割下料；
步骤4、将12片壳体折弯；通过折弯机将上一步展开得到的片体折弯；
步骤5、根据力学公式确定纵肋(2)的尺寸；
在选择纵肋(2)的横截面时，不仅考虑所需要的截面模量，而且还要使横截面面积减到最小，在保证蛋形耐压壳装置的强度和刚度的同时最大程度的减小总体质量；纵肋(2)的横截宽度为常数b，高度为变量h1，要求保持不变的许用应力σw，考虑弯矩设计来看，每一横截面处，都必须适合方程：
σw＝M/S
其中，M为弯矩，S为截面模量；
对于矩形：
S＝bh1 2/6
步骤6、根据纵肋(2)图纸加工出纵肋(2)；
步骤7、将折弯后的12片壳体与纵肋(2)组装焊接；每根纵肋(2)两边各焊接上一片折弯后的壳体，12片壳体和12根纵肋交替焊接成一个完整的壳体；
步骤8、两端封头平板组装焊接；切割出上下封头平板，再分别将其焊接在焊接好的完整壳体上；
步骤9、根据环肋(3)图纸加工出环肋(3)；
步骤10、将环肋(3)组装焊接在耐压壳上；再将加工好的环肋(3)一一对应焊接在加肋波纹蛋形耐压壳体上；加肋波纹蛋形耐压壳的加工完毕。
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