静水压力下小开孔球形壳体强度分析

兰四清 许爱林

（1、武夷学院，福建 武夷山354300 2、中国石油大学（北京），北京102249）

1 概述

耐压壳体是潜水器的关键部分，其重量占潜水器总重的1/4～1/2[1]。潜水耐压球壳的开孔附近区域有明显的应力集中，削弱球壳力学性能，影响其疲劳寿命及下潜极限深度。设计合理的加强结构可以减弱开孔对耐压球壳的不利影响。本文主要从数值分析的角度研究了完整球壳和开孔球壳的强度和稳定性以及其强度和稳定性对开孔加强参数的敏感度，并对球壳进行优化加强。

2 潜水器耐压强度有限元分析

利用ANSYS 有限元分析软件建立完整耐压壳结构的有限元模型，耐压球壳内径2.1m，球壳厚度23mm，采用了Ti-6Al-4VELI[2]钛合金材料， 弹性模量为1.127E5MPa，泊松比为0.3，屈服强度为873MPa，使用SHELL181 壳单元来建立模型。

2.1 完整球形耐压壳有限元分析

分别对模型施加1500m、2000m、2500m、3000m 水深下的对应压力，进行强度和线性屈曲分析，得到结构的应力分布和屈曲形态。1500m 深度下耐压壳的应力分布如图1，球壳一阶屈曲模态如图2。耐压球壳的应力分析结果见表1，当潜水器在2000m 水深工作时，最大应力645MPa 小于CCS 规范[3]，满足要求，但下潜到2500m 时应力不再满足要求。通过屈曲分析得到其临界失稳压力为71.17MPa，而根据强度分析，耐压球壳在受24.5MPa 压力时，其最大应力就已经超出船级社规范中的许用应力了。由此可分析出，静水压力不断增大，耐压球壳首先发生强度破坏；当潜水器向更深处下潜，静水压力才能达到临界屈曲压力，耐压壳体产生失稳破坏。

2.2 开孔球形耐压壳有限元分析

在原耐压壳结构上进行开孔，参数如表2，对其进行静力和线性屈曲分析。

在2500 米深度下，开孔球壳最大应力为1420MPa，完整球壳的最大应力为806MPa，开孔耐压球壳最大应力是完整球壳的1.8 倍。其最小弹性失稳力为67.6688MPa，完整球壳的屈曲临界失稳压力为71.1676MPa，相比之下，开孔球壳的最小弹性失稳力要明显减小，与完整球壳相差4.9%。

表1 耐压球壳应力分析结果

表2 开孔耐压球壳设计参数

2.3 开孔围壁加强分析

2.3.1 孔径a 的变化对强度和失稳力的影响

固定D、t、H、t1，改变孔径a，分析它对开孔处应力大小和临界失稳力的影响，结果在表3 中。图3 为一个初步的简单开孔结构形式示意图。图4 为随孔径增大开孔处最大应力增大，临界屈曲载荷减小的曲线。

2.3.2 围壁厚度t1 的变化对强度和失稳力的影响

固定D、t、a、H，改变围壁厚度t1，分析结果在表4 中。图5 可看出随围壁厚度增加开孔处最大应力减小，临界屈曲载荷线性增大到最大值后趋于平缓。

当t1 在0.023～0.043mm 之间对结构加强效果最好，当t1=0.043mm，Pcr=67.789MPa，开孔处的最大应力为538MPa 小于材料的屈服强度，873MPa，符合强度和稳定性要求。

2.3.3 围壁高度H 的变化对强度和失稳力的影响

图1 球壳的等效应力云图

图3 开孔球壳结构

图4 不同孔径下耐压球壳开孔处最大应力和临界屈曲载荷

图5 不同围壁厚度下耐压球壳开孔处最大应力和临界屈曲载荷

图6 不同围壁高度下耐压球壳开孔处最大应力和临界屈曲载荷

表4 在不同围壁厚度t 值下的耐压球壳开孔处的最大应力及临界压力

表5 不同围壁高度H 下的耐压球壳开孔处的最大应力及临界压力

固定球壳D、t、a、t1，改变围壁高度H，计算结果在表5 中。图6 为不同围壁高度下耐压球壳开孔处最大应力和临界屈曲载荷变化趋势。当H 在0.10～0.12mm 之间对结构加强效果最好,当H=0.12m，此时开孔处的最大应力为806MPa 小于材料的屈服强度，符合强度和稳定性要求。

3 结论

3.1 耐压球壳最大应力随深度增加而增大；随着下潜深度的逐渐增加，耐压球壳首先发生的是强度破坏而非稳定性破坏。

3.2 2500m 水深中，开孔耐压球壳最大应力是无开孔球壳的1.8 倍。开孔球壳的最小弹性失稳力要明显减小，与完整球壳相差4.9%。

3.3 由加强围壁参数对耐压球壳强度与稳定性的影响得出优化结构：围壁厚度t1=0.043mm，围壁高度H=0.12m。