摘 要

随着海洋开发的快速发展，潜水器的应用越来越广泛，潜水器的设计制造成为工程研究的一项热门内容。近几十年来，海洋开发勘察逐渐向深水领域发展，为了保证在大深度海洋环境的高静压下，潜水器能够正常运作，需要对深潜器耐压壳结构进行研究设计。

本文以5000m水深的工况下，对五种典型外形的耐压壳进行结构设计。研究首先用CCS规范对耐压壳进行强度计算，并使其满足规范要求。为了进一步优化耐压壳结构，本文利用有限元分析软件，对结构的强度与稳定性进行校核分析。

本文通过对耐压壳计算结果对比，发现规范设计法在强度计算上，结果比有限元计算大，说明在强度设计上，规范设计法偏于保守。另外在稳定性分析中，规范法对于球形耐压壳非线性屈曲计算中，计算极限承载力大于有限元分析法，因此出于结构安全角度，建议对深海球形耐压壳使用有限元分析法。

关键词：耐压壳；结构稳定性；结构强度；有限元分析

Abstract

With the rapid development of ocean development, the application of submersibles is more and more extensive, and the design and manufacture of submersibles has become a hot topic in engineering research. In recent decades, marine development and investigation has gradually developed into the deep water field. in order to ensure the normal operation of submersible under high static pressure in deep marine environment, it is necessary to study and design the pressure hull structure of deep submersible.

In this paper, under the working condition of 5000 m water depth, the structural design of five typical shapes of pressure-resistant shells is carried out. The research firstly uses CCS code to calculate the strength of pressure-resistant shell, and makes it meet the requirements of the code. In order to further optimize the pressure hull structure, this paper uses finite element analysis software to check and analyze the strength and stability of the structure.

By comparing the calculation results of pressure hull, it is found that the standard design method is larger than the finite element method in strength calculation, which shows that the standard design method is conservative in strength design. In addition, in the stability analysis, the standard method is larger than the finite element method in the nonlinear buckling calculation of spherical pressure hull, so for the sake of structural safety, it is suggested to use the finite element analysis method for deep-sea spherical pressure hull.

Key Words：pressure hull; structure strength; structure stability; finite element analysis

目 录

第一章 绪论 1

1.1 目的与意义 1

1.2 国内外研究状况 1

1.2.1 规范设计法 2

1.2.2 实验分析法 2

1.2.3 有限元分析法 3

1.2.4 耐压壳结构特点 3

1.3 本文研究工作 4

第二章 耐压壳结构规范设计 5

2.1 概述 5

2.2 球壳规范设计 5

2.2.1 球壳设计方案 5

2.2.2 球壳载荷计算 6

2.2.3 球壳强度校核 6

2.2.4 球壳稳定性校核 7

2.3 圆柱壳规范设计 7

2.3.1 圆柱壳设计方案 7

2.3.2 圆柱壳载荷计算 8

2.3.3 圆柱壳强度校核 9

2.3.4 圆柱壳稳定性校核 9

2.4 圆锥壳规范设计 10

2.4.1 圆锥壳设计方案 10

2.4.2 圆锥壳载荷计算 11

2.4.3 圆锥壳强度校核 12

2.4.4 圆锥壳稳定性校核 12

2.5 锥柱结合壳规范设计 13

2.5.1 锥柱结合壳的设计方案 13

2.5.2 锥柱壳载荷计算 14

2.5.3 锥柱壳强度校核 14

第三章 耐压壳有限元计算 15

3.1 有限元计算法 15

3.2 球形耐压壳有限元计算 16

3.2.1 模型建立 16

3.2.2 载荷与边界条件 17

3.2.3 计算与结果 17

3.3 柱形耐压壳有限元计算 18

3.3.1 模型建立 18

3.3.2 边界条件与载荷 19

3.3.3 计算与结果 19

3.4 锥形耐压壳有限元计算 20

3.4.1 模型建立 20

3.4.2 边界条件与载荷 21

3.4.3 计算与结果 21

3.5 锥柱结合形耐压壳有限元计算 22

3.5.1 模型建立 22

3.5.2边界条件与载荷 23

3.5.3 计算与结果 23

第四章 耐压壳屈曲分析 25

4.1 屈曲理论 25

4.1.1 屈曲准则 25

4.1.2 耐压壳屈曲 25

4.1.3 球壳屈曲理论 26

4.1.4 圆柱壳屈曲理论 26

4.2 有限元屈曲分析 27

4.3 球形耐压壳非线性屈曲分析 28

4.3.1 特征值屈曲分析 28

4.3.2 非线性屈曲分析 28

4.3.3 结果分析 29

4.4 圆柱形耐压壳非线性屈曲分析 29

4.4.1 特征值屈曲分析 29

4.4.2 非线性屈曲分析 30

4.4.3 结果分析 30

4.5 圆锥形耐压壳非线性屈曲分析 31

4.5.1 特征值屈曲分析 31

4.5.2 非线性屈曲分析 31

4.5.3 结果分析 31

4.6 凸形锥柱形耐压壳非线性屈曲分析 32

4.6.1 特征值屈曲分析 32

4.6.2 非线性屈曲分析 32

4.6.3 结果分析 33

4.7 凹形锥柱形耐压壳非线性屈曲分析 33

4.7.1 特征值屈曲分析 34

4.7.2 非线性屈曲分析 34

4.7.3 结果分析 34

第五章 总结 36

5.1 工作内容 36

5.2 主要结论 36

5.3 未来展望 36

参考文献 37

致 谢 38

第一章 绪论

1.1 目的与意义

由于海洋蕴藏的无数资源，海洋勘探与开发成为现代科学工程领域里重要的方向。进入21世纪以来，各国都加大对潜水器研究开发的力度。从世纪七八十年代以来，由于海上油气工业潜水作业的要求，深海潜水器得到飞速发展。至今，在世界范围内，各类载人深潜器数量达到200m，部分能够在6000m的深海环境作业，在海洋油气开发领域上发挥重要作用。无人遥控潜水器大致分为有缆和无缆两种，无人遥控潜水器在上世界约有1000多艘，其中6000m级10多艘，如今已发展到第三代智能深潜器。而在我国处于先进水平的载人深潜器“蛟龙号”，于2012年6月，在马里亚纳海沟下潜7062米，成功创造了世界上同类型作业型潜水器的最大下潜深度纪录。海洋资源开发与国防军事的需求，推动了潜水器的快速发展。潜水器作为海洋开发的重重装备，负责进行多种复杂的水下作业，如海底勘探、海底开发、水下打捞与救助、军事侦察等。海洋能为一个国家带来不可计数的经济效益，同时在领土主权上具有重要战略意义，加大对海洋勘察与深海研究力度，发展深海设备开发，早已在《国务院关于印发全国海洋经济发展“十二五”规划的通知》中明确提出，而潜水器的研发关乎我国的海洋开发与管理水准，因此潜水器的研究具有重要意义。

潜水器的主要技术，无论载人与非载人的潜水器，按照其结构与功能，可以划为：耐压壳与结构、动力设备系统、浮力材料、运动与控制、作业与控制、导航定位、通信、布放及回收共八类技术[8]。耐压壳作为潜水器物理结构的主要构成部分，为潜水器提供浮力，承受外部的流体压力，同时内部放置着作业与动力设备，是潜水器能在深海高压环境下运作良好的前提，因此耐压壳结构设计是潜水器研究的第一环设计工作。

深海的流体压力极大，耐压壳的外壳板与肋骨应力需在许用应力允许范围内，因此耐压壳的结构设计需要满足设强度要求，以保证结构的稳定性。耐压壳强度要求体现在多个方面，结构的屈服强度、稳定性、局部开口强度、疲劳强度等多个因素[8]。耐压壳的外形结构形式与潜水器的用途与适用深度有关，主要有球形、椭球形、椎柱组合形或其他组合形状，由于球形结构具有良好强度性能，目前球形的潜水器受到广泛重视。为保证耐压壳的结构符合要求，需要对其外形结构与强度进行研究。

1.2 国内外研究状况

目前深潜器的耐压壳设计与强度分析手段，主要有规范设计法、实验分析法以及有限元分析法。

1.2.1 规范设计法

规范设计法具有通用性与简易性的特点，但对于特定工况下不同结构潜水器的设计，往往会不适用，且计算结果偏为保守，不能达到轻量化的优化设计要求。虽然规范设计不能满足耐压壳的最优设计结果，但对于初步设计阶段，能够让设计者简易有效地得到耐压壳最初设计尺寸与加工，便于后续的优化设计阶段。

以下列举规范法对于球形耐压壳的设计理论与公式：

球壳小变形理论公式，原理即是在外压下，假设球形壳体的变形量与球壳的板厚相比是微小量，实际使用需修用较大的修正系数，否则结果有很大差异，其临界失稳压力公式[9]：

（1.1）

式中：

E－材料的弹性模量，MPa；

R－球壳半径，mm；

t－球壳板的计算厚度，mm；

μ－泊松比。

整球壳体的壳板最小厚度计算公式，选自中国船级社规范[2]：

（1.2）

式中：

t－壳板最小厚度，mm

p－最大工作压力，Mpa;

Do－壳体内径，mm;

[σ]－许用应力，N/mm²。

1.2.2 实验分析法

实验分析法是工程分析是最直接的手段，能够根据设计者的意图得到相应的数据进而获得结果。张健研究了深海球形耐压壳体的弹塑性屈曲问题,提出了考虑塑性折减系数和几何缺陷折减系数的半解析机理公式^[12]。

（1.3）

（1.4）

式中：

r_in－内半径；

r_m－平均半径；

σ_t－极限强度；

t－壳板厚度；

a，b，c，d，j，f，g，h为常数。

最后，通过四个实验室的模型压溃试验，验证了该公式，该公式推广了前人的研究成果，可用于深海耐压球壳初步设计阶段的承载力评估。

1.2.3 有限元分析法

数值计算法在计算机的支持下得到很大的应用。有限元思想和方法，在力学问题的上有着灵活性和广泛性，在分析球壳结构时能灵活地处理复杂的工况和边界条件^[9],同时可以采用简化的方法处理复杂的结合结构和接触分析。以有限元法为基础的数值计算法是当今深潜器耐压壳设计与强度计算的重要方法。

高杰利用Abaqus软件，在理论模型基础上提出了球形耐压壳的有限元数值计算法，且在进一步研究下得到钛合金耐压壳在几何缺陷对于极限承载力的影响规律^[6]。季林帅通过ANSYS有限元软件，研究了圆柱形耐压壳的问题，发现局部稳定性公式得到压力值要小于有限元分析结果，认为在大深度和材料具有高强度的前提下，理论公式应加以修正。同时其研究指出，相当于对传统的均匀布置肋骨，非均匀的布置肋骨方式能使圆柱形耐压壳更具有良好的强度与稳性性能^[7]。潘涛在Abaqus有限元软件的辅助下，对比了圆柱和球形耐压壳的强度性能，得出球壳对于开孔受到的集中应力影响要小于圆柱壳，并对耐压壳的屈服强度、稳定性等问题进行相应研究^[8]。靖海宏在前人的基础上，研究了300米深的潜水器耐压壳设计，其研究从材料选择、结构分析、失效分析及最后利用ANSYS有限元软件分析检验这几个步骤入手，研究亦比较了圆柱与球形耐压壳的性能^[10]。何雪浤等人提出一种有效快速的耐压壳建模方法，其思路如下：使用工作平面去切割外表面建立梁结构线，得到几何的模型，再赋予单元、材料属性，依次划分网格，最后建立有限元模型^[3]。

1.2.4 耐压壳结构特点

由于潜水器在深海服务需满足使用年限，应对耐压壳进行疲劳实验分析。朱永梅等人对于开孔的球形耐压壳进行疲劳实验分析，对比完整球形耐压壳与开孔加强的球形耐压壳，发现开孔的使用寿命比完整耐压壳下降32.4%，结论是开口会减小耐压壳的疲劳寿命^[11]。

目前耐压壳主流的形状为球形与圆柱形，为开发多样的潜水器，应对其他形状的耐压壳进行研究。张健等人研究了蛋形耐压壳的相关力学性能，发现蛋形耐压壳具有良好协调强度稳定性、浮力系数及水动力特性，在综合性能上比球形耐压壳更好^[14]。且对于缺陷敏感度低，有利于外壳开孔加工，使耐压壳的功能更完善。

1.3 本文研究工作

本文以结构力学为理论基础，对5000米水深的潜水器耐压壳结构进行设计，提出球形与卵形耐压壳的耐压壳设计方案，在规范的指引下初步提出耐压壳设计方案，而后对耐压壳采用有限元软件ANSYS对结构强度进行分析校核。具体内容与研究方法如下：

第一章：简单叙述载人与非载人潜水器的国内外发展状况，概括了深潜器发展对于工程和国防的意义，同时对耐压壳的结构设计与强度计算在理论上的意义进行阐述，简述了不同学者对于耐压壳的研究分析，为下文耐压壳设计工作进行了思路引导与铺垫。

第二章：方案初步设计，对耐压壳的材料进行调查而后选择，同时通过对比不同耐压壳的几何外形，基本确定本文设计耐压壳的外形类型，然后依据设计规范设计得到五种耐压壳。

第三章：使用ANSYS大型通用有限元软件，对建立的几种设计方案在5000米潜深的工况进行强度校核并依据相关规范与资料，分析本文设计耐压壳结构是否满足使用要求。

第四章：介绍耐压壳稳定性理论，使用大型通用有限元软件，对建立的几种设计方案在5000米潜深的工况进行稳定性分析计算，并依据相关规范与资料，分析本文设计耐压壳结构是否满足使用要求。

第五章：总结分析，对本耐压壳设计研究进行总结，概括所设计耐压壳的强度校核结果，对研究中的不足进行探讨，同时对深潜器耐压壳的进一步研究领域进行展望。

第二章 耐压壳结构规范设计

2.1 概述

深潜器的耐压壳的设计考虑到以下几个方面：重量－排水比值（W/V）、内部空间的利用率、生产制造成本及加工工艺、操作的方便、结构的可靠性五个因素[10]。现耐压壳的形状多为球形、圆柱形，亦有圆锥形与锥柱结合形的，它们在以上几个方面的性能各有优缺点，实际设计应按照工程的具体使用要求。

由于深海环境作用于潜水器的静压极大，现有的国际众多潜水器的尺寸都在直径为2米或更小的级别上，且近年来无人潜水器的发展都趋向于小型化的结构，考虑到满足强度的前提，轻便结构的耐压壳还具有制造方便与成本低的优点，本研究初步设计的耐压壳直径定为1米。

本章根据中国船级社的规范，设计共五种外形的耐压壳，并检验校核其强度与稳性。本设计采用的是TC4钛合金（Ti－6Al－4V），密度g=4.4×10³kg/m³，屈服强度σs=860MPa，弹性模量E=110Gpa,该材料具有良好的力学性能。耐压壳以其承受最大工作压力作为设计压力进行强度计算[2]，然而考虑耐压壳的材料缺陷、计算公式误差、作业中的超深超压等不安全因素，承受外压力的耐压壳应按计算压力进行计算分析，计算压力取为最大工作压力的1.5倍。

2.2 球壳规范设计

2.2.1 球壳设计方案

本耐压壳为均匀的球壳体，内直径为1000mm，壁壳厚度为30mm，整体不设置肋骨与开口。

图1 球形耐压壳

2.2.2 球壳载荷计算

本节公式符号意义如下：

P_j－计算压力，MPa;

P_e－弹性失稳压力，MPa;

P_cr－屈曲压力，MPa

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