请扫描 微信公众号 官方微博

您的位置是 > 首页 > 技术成果 > 深潜器强度研究助力科考走向深海

深潜器强度研究助力科考走向深海

新闻来源:中国船检    浏览量:916 宋夏 2018-07-06
        深海中多样的物种资源和丰富的矿产资源已经引起各国政府的高度重视,海洋资源的开发呈现出由近海向远洋、由浅海向深海的发展趋势。从我国已经建造并投入使用的7000米“蛟龙”号,到“深海勇士”号4500米级载人深潜器以及将来万米级深潜器的研发,表明我国也日益重视对深海大洋资源进行探测及开发。
        中国船级社(CCS)结合国内外相关载人深潜器资料,成功开展了“蛟龙”号和“深海勇士”号入级服务工作,取得了非常好的效果。“蛟龙”号已在我国深海科考工作中发挥着不可替代的作用,海试结果也表明“深海勇士”号载人深潜器性能优良,可列入国际最先进载人深潜器序列。
        国内外规范和现状
        通过对CCS及国外几家船级社深潜器规范的研究分析发现,各家船级社对深潜器钛合金球形载人舱厚度计算公式、制造偏差和安全系数的规定不尽相同,主要表现为如下几个方面:
        1、关于材料:国外船级社中,仅一家明确规范计算公式适用于钛合金材料制造的载人舱,其他规范给出的计算公式只适用于钢质载人舱;且各船级社对材料是否考虑泊松比的影响有不同的规定;CCS目前规范已涵盖钢和钛合金两种材料。
        2、关于制造偏差:各船级社对于制造偏差的要求不相同,对其测定方法也不尽相同。CCS对于制造偏差要求较为严格,并且阐明了制造偏差的测定方法。
        3、关于耐压壳体强度确定性校核:各船级社规范均给出了屈服和屈曲强度的确定性校核计算公式,其中某些船级社规范明确给出安全系数的取值,而其他规范在计算公式中隐含地考虑了安全系数的影响;CCS明确给出安全系数的取值。
        4、关于耐压壳体强度直接计算评估:国外船级社中,针对钛合金大深度深潜器球形载人舱的强度直接评估方法和流程,仅一家有部分规定,其他船级社均仅给出了原则性要求;CCS对于屈服强度、极限强度以及疲劳强度均给出了明确的计算方法和计算流程。
        钛合金耐压壳体的屈服强度研究
        通过对系列钛合金球形载人舱和圆柱形耐压罐进行有限元应力计算分析,并参考国内外相关深潜器耐压方面的文献,CCS对钛合金球形载人舱和圆柱形耐压罐的结构有限元分析方法进行了研究:
        对比分别采用四边形壳单元、四面体单元和六面体单元三种不同单元形式的有限元模型计算分析结果,在满足一定的网格划分要求的情况下,在做简单的应力分析时,可以选择四边形网格来替代计算求解。
图1  四边形壳单元有限元模型
        载人深潜器耐压壳体在水下工作时仅受重力和浮力作用,不受任何约束,但计算时需要消除结构刚体位移,所以计算模型应具有足够的位移约束。壳体需3点支持,约束6个位移分量,边界条件对称设置,这样既可以消除整个刚体位移又不妨碍相对变形。
        综上,通过系列钛合金球形载人舱和圆柱形耐压罐进行有限元应力计算分析,归纳总结出合理的载荷工况、边界条件和应力衡准,制定钛合金球形载人舱和圆柱形耐压罐的屈服计算方法和相应的衡准。屈服强度计算方法可适用于球形载人舱和圆柱形耐压罐壳体,亦适用于万米级潜深的耐压壳体。
        钛合金圆柱壳极限承载能力分析
        近年来,钛合金载人深潜器得到了长足发展,钛合金载人深潜器的下潜深度也越来越大。除了载人舱的极限承载能力需要得到保障,服务于载人舱的众多钛合金压力容器罐的强度也需要得到保障。
图2:钛合金圆柱壳理想研究对象示意图
        重点从单元大小、单元类型选取、材料定义、边界条件、载荷施加、缺陷考虑方法非线性迭代方法选取和非线性结果处理等方面进行研究,使用非线性有限元方法,建立球形载人舱和圆柱形耐压罐的耐压壳体极限承载能力的评估方法,并根据此方法,针对圆柱形耐压罐,分析极限承载能力和壳体厚度,圆形封头半径及圆柱高度的关系,得到各个参数对于极限承载能力的影响。极限强度计算方法,能适用于球形载人舱和圆柱形耐压罐的壳体,并且建立了极限强度的计算方法和衡准,并可适用于万米级潜深的耐压壳体。
        下图为对同一圆柱半径Rm下的不同壳体厚度和不同圆柱长度下的壳体极限承载力进行了分析,得到了不同的厚度半径比(t/Rm)和不同深度半径比(H/Rm)下的圆柱壳体的极限承载能力值,从极限强度的角度出发,为设计方提供设计指导。
图3:圆柱壳极限承载能力同t/Rm,H/Rm关系图
        基于断裂力学方法的疲劳强度计算
        钛合金耐压壳体深潜器属大厚度结构,需要采用考虑因素更为全面的断裂力学方法计算钛合金耐压壳体的疲劳强度。裂纹扩展疲劳寿命的计算基于裂纹扩展速率模型(- 曲线)进行。裂纹扩张速率与载荷、材料、结构及研究对象所处的环境有关,完全准确地表达裂纹扩展速率与各个影响因素之间的关系是一项十分艰巨的任务。对工程中广泛使用的Paris公式、考虑应力比影响的单一曲线模型以及能解释多种疲劳现象的统一预报模型进行耐压壳体的疲劳强度研究。
        通过对国内外同级别的深潜器的下潜数据进行统计,并根据其下潜特征选用不同的载荷分布模型拟合,选出合适的耐压球壳疲劳载荷概率分布模形;采用断裂力学方法,不同的裂纹扩展模型对耐压球壳进行确定性分析,形成CCS深潜器耐压球壳疲劳寿命计算方法;基于不同裂纹扩展模型,对球形载人舱可靠性指标进行计算,给出目标球壳可靠性指标,形成CCS深潜器球形载人舱可靠性指标计算方法;上述载荷概率分布模型,疲劳计算方法等,均可适用于不同的潜深(含万米级)的深潜器。
        通过研究,CCS建立了对于钛合金耐压壳体的屈服强度、极限强度、疲劳强度的直接计算评估能力和技术服务能力,相关要求已适用于钛合金材料的大深度深潜器,在深潜器材料和下潜深度上均有扩展。大深度深潜器在我国深海科考工作中的地位和作用不可替代,CCS进行的相关研究工作,为我国深潜器设计、建造、维护提供技术支持和保障,同时CCS也继续为提高深潜器的安全性、稳定性做出更大的贡献。
上一篇:大宇造船获1艘LNG-FSRU订单下一篇:地中海航运加码投资智利冷藏集装箱业务