深海中厚球壳受力分析及设计

宛兴旺 朱赠友 周旭 王炜 方毕玮

摘 要：载人深潜器是探索海底资源、执行多种海底任务的必要设备，载人舱耐压球壳是深潜器关键部件，必须使用高比强、高韧性的材料以保证它具有足够的有效载重和良好的安全性。项目主要通过Patran/Nastran软件进行建模并受力分析。该文将对项目的工作过程及取得成果做一个简单的介绍，并且基于有限元的优化设计方案，利用Patran/Nastran 软件对深潜球壳受力过程分析得出合理的厚度半径比。

关键词：Patran/Nastran 深潜器 受力分析 耐压球壳

中图分类号：U674.941 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）09（a）-0212-02

深潜器具有水下观察和作业能力的活动深潜水装置，是人类进行深海工作研究的有力技术工具。而耐压壳是保证深潜器安全的关键部件，球壳是深潜器的理想承压结构，其应用也日益广泛。一直以来，越来越多的学者对球壳的承载能力进行了研究。

该文基于有限元的优化设计，提出了计算深潜器中厚耐压球壳的受力分析方案，通过模拟在10000 m水深的受力情况，对耐压球壳进行优化，用Patran/Nastran 软件对深潜球壳受力过程分析得出较为合适的耐压壳的厚度半径比。

1 建模与薄壳计算分析

有限元建模分析

（1）模型范围。

耐压球壳半径为1000 mm，厚度为60 mm至150 mm。

（2）结构模拟。

采用MSC.Nastran实体单元HEX8（8节点，每个节点3个自由度），取二分之一球体作分析，划分了1440个单元，共计3172个节点，边界条件z=0处，方向固定，结构受外压100MPa。

（3）单位及材料属性（表1）。

（4）边界条件。

由对称边界条件得，位于Z=0平面上的节点XYZ方向的位移固定。

（5）工况。

10000m深水下，深潜器球壳的直径可以近似忽略，当成质点来看，取整体受到压强为100 MPa。

2 利用Patran模型计算分析所得数据公式

根据Patran所建模型图所知：

2.1 屈曲分析（BUCKLING）（图1-图4）

（1）由图1-图4可知，理想状态下，半球壳失稳的临界应力因数如表2所示。

所绘制曲线图见图5。

（2）球壳可承受最大的屈曲应力计算公式为：

Max=Factor*Pressure（所给压力）

结论如表3。

所绘制曲线图见图6。

2.2 非线性静态分析（NON-LINEAR SATICT）（图7-图10）

由于边界条件限制和工艺实际情况，一般球壳均为两个半球相叠加，因此可取图中最大值为分析值，结论如表4所示。

所绘制曲線图见图11。

所拟合出的函数表达式如下。

3 结语

由分析结果可知，公式计算值不满足深潜器中厚耐压球壳模拟计算值，同一深度下，随着厚度半径比的增加，球壳所受最大压力值逐渐减少，且减缓速率越来越慢。由屈曲应力分析结果可知，材料的强度满足要求。但由材料的强度和非线性静态分析结果对比可知，中厚球壳仍无法满足10000m水深下潜要求。

由静态受力分析得出中厚球壳的计算公式为。

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