变厚蛋形耐压壳屈曲特性分析及其试验研究

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中共十八大报告提到需提高海洋资源的开发利用能力,这表明海洋经济的开发对于我国经济发展是非常重要的。潜水器是进行海洋探索的重要工具之一,而耐压壳是潜水器最重要的设备之一。现役耐压壳有着结构不合理,缺陷敏感度大等缺陷,新提出的蛋形仿生耐压壳则表现出了不俗的耐压特性,但其耐压性能与现役耐压壳还具有一定差距,因此本文提出了一种新型变厚蛋形仿生耐压壳,其具有更好的耐压特性与更高的材料利用率。本文将通过理论分析、数值计算与比例试验相结合的方式诠释变厚蛋形耐压壳屈曲特性研究,本文主要研究内容与结论如下:(1)首先,根据N-R方程对变厚蛋形耐压壳的轮廓进行设计并结合仿生蛋壳的单位形变位移量得出其破坏的最大形变位移量,再根据Mushtari公式与强度和屈曲理论对壁厚分布进行设计。对变厚比例参数进行优化分析探究壁厚分布比例对蛋形耐压壳的强度与稳定性的影响规律,寻找一种最优的壁厚分布。经过对等厚比例系数L1影响规律研究,得到了最优参数的变厚蛋形耐压壳即L1/L=0.25。(2)建立变厚蛋形耐压壳数值模型对其进行线弹性屈曲数值分析并考虑多模态对其线弹性屈曲的影响并与均厚蛋壳作对比,分析变厚蛋形耐压壳的非线性屈曲特及多模型情况下的非线性屈曲载荷与失稳模态。研究表明,变厚蛋形耐压壳的线弹性屈曲载荷是均厚蛋形耐压壳的1.14倍;在相同条件下,变厚蛋形耐压壳的非线性屈曲载荷是均厚蛋形耐压壳的1.051.12倍。结合实际工况得出变厚蛋形耐压壳适用于14km工况;等厚蛋形耐压壳较适用于5km工况以上的作业环境。(3)在变厚蛋形耐压壳的基础上,设计孔径为100mm的开孔变厚蛋形耐压壳,根据船船级社规范对其开孔处的上围壁高度与下围壁高度进行设计,采用正交试验法探究围壁厚度等几何参数对于开孔变厚蛋形耐压壳屈曲特性的影响并结合数值分析,并从蛋壳力学特性的三个角度来诠释其影响规律,得出结论:围壁厚度是影响变厚蛋壳开孔的主要因素。(4)通过试验验证数值分析结果,采用成熟的3D打印技术制作具有较高精度的树脂比例模型,蛋壳的完成度较高,与理想模型之间具有很高的一致性。变厚蛋壳的稳定性要好于均厚蛋壳。其水压试验结果、数值分析结果相近,试验结果更趋近于数值分析中的线弹性屈曲解,蛋壳的屈曲破坏模式发生于赤道中部形成断裂面,与数值分析在蛋壳中部形成凹坑的结果一致;采用机加工技术的金属比例试验模型,具有很高试验参考价值,其试验结果与数值分析中的非线性屈曲结果呈现较好的一致性,其水压破坏形式为在赤道部位形成凹坑,这与数值解结论一致。
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