海洋探测仪耐压壳体结构强度特性分析

余大华 王伟奇

(湖北三峡职业技术学院，湖北 宜昌 443000)

1 海洋探测仪概述

海洋探测仪(海洋探测设备、水下探测器)主要用于海洋环境的观察和勘测，对海洋相关的数据和资料进行收集，最为关键的是对海洋一定的深度进行实时地监测和探视，因此，对海洋探测仪的壳体承受能力提出了很高的要求。

为了保证海洋探测仪能够在海洋环境下完成各种数据收集和探测任务，那么就应该保证耐压壳体具备一定的承受和抗压能力，根据材料的特性和环境要求，耐压壳体的制造通过以内部增加轻金属内胆，在外表面增加纤维。纤维可以承受任意的荷载，在实际设计过程中，应该将纤维根据90°的方向缠绕壳体表面多层，再按轴向缠绕若干层，形成单向板复合材料，这样可以有效地提升壳体的强度和承载能力。

2 海洋探测仪壳体设计

2.1 设计要求和材料选择

海洋探测仪主要用于1600m以下的深水环境探测，要求外径不能超过150mm，内胆尺寸不能小于Φ140mm×320mm，主要用于放置探测设备，设计出来的探测设备需满足轻巧化的要求。要充分考虑材料以及结构强度轻量化的要求，可以采用铝合金材质，其材质的重量只占据钢的50%左右，而强度却高达872MPa，可以作为壳体材料设计的首选，其物理特性参数如表1所示：

表1 钛合金物理参数

2.2 模型选择

通过经验力学特征对耐压壳体结构进行研究，最开始都将降模型行为连续结构，其是由封头、筒壁连接或拆卸。同时，要加强对设备内部进行维护和检修，其中封有的结构形式对耐压壳体的强度和稳定性会产生直接的影响。所以，分析耐压壳体力学特征时，应该对封头和筒壁的连接方式引起足够的重视，这样壳体强度才有所保障。此外，根据实践研究得知，球状的耐压壳体力学性能与其它结构相比，优势更加明显。可以考虑采用半球壳结构，不利用筒壁和封头连接的形式，这样有利于提升整个海洋探测仪设备的耐压壳强度和稳定性。

3 关于海洋探测仪耐压壳体强度分析结果

3.1 耐压壳体强度分析

如果海洋探测设备放置在深度为1500m以上的水下环境，为了满足其结构的稳定性和强度要求，材料应该选择屈服更加高强度的铝合金材料。经过计算，本文所提到的耐压壳体的屈曲模态如图1所示，引入缺陷后，其工作荷载为15MPa，应力响应如图2所示。

图1 耐压壳体一阶屈曲

图2 耐压壳体失稳破坏

其次，通过将荷载比例系数进行适当地调整和改变，充分考虑耐压壳体的载荷系数和应力之间的关系。可以看出，载荷比例系数的增加，也会对耐压壳体的应力响应形成一定程度的影响，并呈现出准线性上升趋势。如果耐压壳体设计安全系数为2，最大比例系数为2.2，而耐压壳体的失稳压力为33MPa，当耐压壳体承受极限荷载时，不考虑失稳，计算壳体的极限强度，最大应力为415.6MPa，安全系数高于2，得出耐压壳体主要破坏形式为失稳。

3.2 极限强度分析

由表2(耐压壳体临界失稳压力表)可以看出，不同工况下耐压壳体的临界失稳压力在明显减小时，表现出重合度过小，也会直接对结构的稳定性，形成不利的影响。当失稳压力比耐压壳体有所增加时，重合度也会随之增大，耐压壳体封头和筒壁的法兰与外环加强筋的效果是一致的，促使结构稳定性也有明显提升。

表2 耐压壳体临界失稳压力

4 结语

总之，根据上文对海洋探测仪耐压壳体强度的详细研究，通过有限元分析法得出经典的耐压壳体结构，采用耐压壳体和筒壁连接的方式，得出耐压壳体结构的破坏形式与封头和筒壁的重合度有关联。重合度越小，耐压壳体的稳定性越差，破坏形式为失稳破坏，只有不断地增加重合度，才能更好地保障耐压壳体的稳定性和强度，从而提升海洋探测仪设备的安全应用系数。