基于ANSYS的迎流耐压壳体强度与稳定性分析

2015-12-31熊传志

机械工程与自动化 2015年4期

方勇，熊传志

（中国船舶重工集团公司第710研究所，湖北宜昌 443003）

0 引言

近年来随着无人水下航行器（UUV）在商业和军事领域的广泛应用，常规水下航行器的潜航深度已经不能满足航行任务的需要。未来水下航行器则朝着更远、更时长、更深的方向发展，我国也适时提出了发展大深度水下航行器的相关策略［1］。随着水下航行器潜航深度的增加，耐压壳体的承压能力及其稳定性问题也就越来越突出。

迎流耐压壳体是水下航行器的重要承压部分，必须对其进行强度和稳定性计算。通常情况下，设计人员根据有关原理和结构使用情况，使用传统理论进行计算，这对于一般的不太复杂的中小型结构形式是可行的。但是，对于较为复杂的大型结构，传统理论计算的准确性较低且较为繁琐，有时甚至是不可行的，这时设计者需要使用一些大型的有限元软件完成分析过程［2］。本文采用有限元分析软件ANSYS，通过建立合理的有限元模型、加载、强度分析及稳定性分析，获得迎流耐压壳体的应力情况和失稳临界载荷，为其结构设计提供重要的理论依据。1 迎流耐压壳体有限元分析

1.1 有限元模型的建立及加载

通常，在有限元求解过程中最重要的环节是有限元模型的建立，一般包括几何建模、定义实常数和材料属性、定义单元类型、网格划分、添加载荷与约束等。因迎流耐压壳体形状、结构较为复杂，一般有限元软件所提供的几何建模功能比较有限，难以方便快速地对其建模。因此，针对比较复杂的结构，采用三维辅助设计软件如Pro/E建立几何模型，然后通过输入接口导入有限元分析软件ANSYS中，采用ANSYS软件完成分析过程［3］。

迎流耐压壳体初始模型如图1所示，壳体为加肋薄壁结构，壳体壁厚为13mm，肋间距为155mm，端盖厚度为14mm。耐压壳体选用防锈铝（5A06）加工制造，密度为2 700kg/m3，屈服强度σs＝170MPa，弹性模量E＝68GPa，泊松比为0.3。

由于迎流耐压壳体结构复杂，可对初始模型进行适当的简化，如将壳体与端盖视为一体；由于迎流耐压壳体具有轴对称特点，壳体受力也具有对称性，为了减少计算量可以只建立1/4壳体模型，简化后的模型如图2所示。

图1 迎流耐压壳体初始模型

图2 迎流耐压壳体简化模型

将迎流耐压壳体模型导入ANSYS平台，进行网格划分，采用Solid186单元划分为六面体网格，单元总数为26 219，节点数为73 030。

边界条件的确定：在迎流耐压壳体有限元计算模型中设置两个位移约束，在两个对称面上加对称约束，尾部法兰端面加固定约束。

载荷施加：根据迎流耐压壳体的实际工作水深，并考虑适当的安全系数，在耐压壳体外表面施加3MPa的压力。迎流耐压壳体有限元模型如图3所示。

1.2 迎流耐压壳体的强度分析

当迎流耐压壳体应力大于材料的许用应力时，其结构可能会发生不可修复性的破坏或者断裂。本文中迎流耐压壳体的应力计算采用第四强度理论von Mises等效应力计算方法。耐压壳体上的任一点均存在3个相互垂直的主平面，其上3个方向的主应力分别为σ1、σ2、σ3。根据第四强度理论，塑性破坏主要由畸变能密度引起。变形后，变形固体存在变形能，变形能包括体积改变的变形能和形状改变的变形能（畸变能）。单位体积畸变能称为畸变能密度。在复杂应力情况下，若危险点的畸变能密度超过单向拉伸时材料的许可畸变能密度，则强度不足［4］。根据畸变能密度的计算公式导出强度条件为：

ANSYS软件的结构静力分析是用来计算固定不变载荷或近似为等价静力随时间变化的载荷作用下结构的响应，即由于稳态外载引起的系统或部件的位移、应力、应变等。迎流耐压壳体整体等效应力云图如图4所示，变形云图如图5所示。

图3 迎流耐压壳体有限元模型

图4 迎流耐压壳体等效应力云图

图5 迎流耐压壳体变形云图

通过图4可知：最大等效应力为647MPa，发生在前法兰与壳体的连接处，超出材料的许用应力，此部位强度不足，其余部位强度满足要求。针对前法兰与壳体的连接处强度不足的情况，在设计中采用加强筋对该部分结构进行加强，实际加工的迎流耐压壳体通过3MPa外压试验验证，耐压强度满足要求。通过图5可知，最大位移值为4mm，满足设计要求。

1.3 迎流耐压壳体的稳定性分析

针对稳定性分析ANSYS软件提供了两类分析方法：一类是利用结合Newton－Raphson迭代的弧长法来追踪确定加载方向，追踪失稳路径的增量非线性分析方法能有效地分析失稳问题和非线性屈曲；另一类是通过特征值分析计算屈曲载荷，根据是否考虑非线性因素对屈曲载荷的影响将这类方法又细分为非线性屈曲分析和线性屈曲分析。本文只针对第二种方法中的线性屈曲分析进行讨论，该方法通过提取线性系统刚度矩阵奇异的特征值来获得结构的失稳模态及临界失稳载荷［5］。

通过ANSYS软件对迎流耐压壳体进行特征值屈曲分析，最小特征值为λ＝5.152 7，屈曲载荷（失稳临界载荷）为Pcr＝15.4MPa，而实际载荷为3MPa，故迎流耐压壳体在外压力作用下不会发生失稳情况，稳定性满足设计要求。