载人潜水器耐压壳结构临界失稳压力研究

第２４卷第３期（总第１４１期）　２０１３年６月　船　舶　ＳＨＩＰ＆Ｂ０ＡＴ　Ｖ０１．２４　Ｎｏ．３　Ｊｕｎｅ，２０１３　

［船舶结构］　

载人潜水器耐压壳结构临界失稳压力研究　

曲文新　韩端锋　刘　峰　

（哈尔滨工程大学船舶工程学院　哈尔滨１５０００１）　

［摘要］采用线性屈曲与非线性屈曲中的弧长法对载人潜水器耐压球壳的稳定性进行分析，分别采用ＣＣＳ、ＧＬ两种规范进行　校核与比较，改进观察窗座的结构形式；并针对多开孔球壳模型，采用弧长法分析其临界失稳压力，以保障人员及设备的正常　工作与运转。　［关键词】载人潜水器；耐压球壳；弧长法；临界失稳压力　［中图分类号］Ｕ６６３．１　【文献标志码］Ａ　【文章编号】１００１—９８５５（２０１３）０３—００４２—０６　

ｎ　０　■・●－－…　ｎ　＇・　…　…ＫＳｅａｒｃｎ　０ｎ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ＤｕｃＫＩｉｎ２　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｏｔ　ｍａｎｎｅｄ　ＳＵｂｍｅｒｓｉＤｌｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　１１Ｕ１１　

Ｑｕ　Ｗｅｎ－ｘｉｎ　ＨＡＮ　Ｄｕａｎ—ｆｅｎｇ　ＵＵ　Ｆｅｎｇ　

（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｓｈｉｐ－ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ａｎｄ　Ｍａｒｉｎｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５０００１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：，Ｉ１１ｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｓｐｈｅｒｉｃａｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｈｕｌｌ　ｏｆ　ｍａｎｎｅｄ　ｓｕｂｍｅｒｓｉｂｌｅ　ｂｙ　ａｒｃ－ｌｅｎｇｔｈ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎ　ｌｉｎｅａｒ　ａｎｄ　ｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒ　ｂｕｃｋｌｉｎｇ．Ｉｔ　ｉｍｐｒｏｖｅｓ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｆｏｒｍ　ｏｆ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｗｉｎｄｏｗｓ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｃｈｅｃｋ　ａｎｄ　

ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ＣＣＳ　ａｎｄ　ＧＬ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ．Ｉｔ　ａｌｓｏ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｉｔｓ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｂｕｃｋｌｉｎｇ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｆ　ｓｐｈｅｒｉｃａｌ　

ｈｕｌｌ　ｗｉｔｈ　ｍｕｌｔｉ－ｈｏｌｅｓ　ｈｙ　ａｒｅ－ｌｅｎｓｔｈ　ｍｅｔｈｏｄ．ｗｈｉｃｈ　ｅｕｓｕｒｅｓ　ｔｈａｔ　ｐｅｒｓｏｎｎｅｌ　ｗｏｒｋｓ　ｎｏｒｍａｌｌｙ　ａｎｄ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｌＵｌｌＳ　ｏｒｄｅｒｌｙ．　

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍａｎｎｅｄ　ｓｕｂｍｅｒｓｉｂｌｅ；ｓｐｈｅｒｉｃａｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｈｕｌｌ；ａｒｃ－ｌｅｎｇｔｈ　ｍｅｔｈｏｄ；ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｂｕｃｋｌｉｎｇ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　

Ｏ　引　言　

载人潜器的耐压壳承受着深水的压力，要保证　

人员能够在里面进行正常的操作与生活．必须保证　其具有足够的强度与稳定性，而临界失稳压力得到　

了国内外很多学者的关注与研究。伍莉引入一缺陷　

项对经典薄壳稳定性公式进行了改进并通过有限　元分析确定了该缺陷项。并对耐压壳进行了优化设　

计…。李良碧，王仁华等利用有限元分析研究了球壳　失稳临界压力以及其厚度与直径的关系曲线，方便　

了耐压球壳的设计［２］；廖煜雷等研究了规范中强度　

与屈曲公式对厚度ｔ的一元化转变并对耐压壳体进　

４２　行了优化设计　：刘涛给出了一个潜器耐压壳体屈　

曲压力的简易计算方法和公式并进行了验证　：　ＷＡＬＴＥＲ　Ｗ和ＵＲＳＵＬＡ　Ａ利用数值计算方法研究　

了初始缺陷、材料与几何非线性与边界条件对球壳　

屈曲的影响［５　３。　本文潜器设计潜深１　５００　ｍ，采用单球形耐压　

壳，内径２．１　ｍ，利用中国船级社（ＣＣＳ）和德国船级　社（ＧＬ）两种规范对设计模型进行校核；利用线性屈　

曲与非线性屈曲两种有限元分析方法分析模型的稳　

定性．对观察窗座结构形式进行了一定的改进，分析　了初始挠度对模型临界失稳压力的影响以及多开孔　球壳模型的临界失稳压力并针对局部区域提出了加　

强方法　

［基金项目］教育部重大科研专项（３１　１０３４）。　［收稿日期］２０１２—１０—０８；［修回日期］２０１２一ｌｌ一１２　［作者简介］曲文新（１９８７一），男，硕士，研究方向：船舶总体设计与方法、船体强度分析。　韩端锋（１９６６一），男，博士，博士生导师，教授，研究方向：船舶与海洋工程模拟仿真系统研究、数字化造船技术和总体设计技　术与方法。　刘峰（１９８２一），男，博士，研究方向：载人潜水器总体设计与系统集成、潜水器设计理论与优化方法。

　曲文新。等：载人潜水器耐压壳结构临界失稳压力研究　

１潜器规范计算临界失稳力　套计算方法，本文主要采用ＣＣＳ、ＧＬ潜器规范对本　文的模型进行屈曲计算与校核，模型几何物理参数　

各国潜水器规范对球壳屈曲都给出了自己的一　见表１。　

表１模型几何物理参数　

１．１　ＣＣＳ规范屈曲计算与校核［３．　ＣＣＳ潜器规范规定．整球壳体板临界失稳压力　

＝Ｇ　（１）　Ｐｃ　≤　（２）　按式（１）计算并应满足式（２）要求。　

：０．８４ＥＣｚ　

＝ｅｊ２ｃ　

ｃ＝１．６５３　６（￣－）。　（０．００ｌ＜￡／Ｒ＜０．２）　

－３ａｒｃｔａｎ（＿１．４９２４［（　）＿１－５】）＋０．００５　３（　厂＋０．０９６　９　（导）＋０．６６１　６　（３）　（４）　

（５）　

（６）　

式中：　为弹性临界压力，ＭＰａ；　为球壳临界失稳　

压力，ＭＰａ；　为计算水深压力，ＭＰａ。根据表１中模　

型参数可以计算得到：Ｃ＝０．０１３　８５７，Ｇ＝０．８８７　８１７，　

Ｃｚ＝Ｏ．８２６　４；临界失稳压力Ｐｃ，＝２３．２　ＭＰａ；计算水深　

压力Ｐ￣＝２２　ＭＰａ。因为　，所以满足设计规范要求。　

１．２　ＧＬ规范屈曲计算与校核　

计算中不考虑焊接残余应力。令初始挠度幅值　

为ｆ＝ｏ．０２％、Ｒ＝０．２１　ｍｍ，按ＧＬ潜器规范ｎ丁按式（８）　

求解极限承载力：　、　

ｐｃ，＝ｐ；ｌ　ｐ：ｓ≤０．５９５　Ｒ　为最大局部平均半径；　

。．　为最大局部外部半径；　

Ｓ。为局部壳厚平均值。　通过计算可以得到尸ｃ，＝２７．３７　ＭＰａ（＞２２　ＭＰａ），　

满足设计规范要求。通过两种规范屈曲计算校核。　

可以发现计算得到的临界失稳压力均大于计算水深　

压力２２　ＭＰａ，且两者计算得到的结果很接近，说明　设计模型是足够安全可靠的，当然此处并没有考虑　焊接残余应力及开孔对稳定性的影响，是一个完整　的球壳。　

（ｏ．４７５＋０．１９５　）０．５９５≤器　７（８）　２稳定性分析的有限元方法　

－尸ｎｚ　鲁＞２．７　

式中：Ｐ　为球壳弹性失稳力；　

Ｐｎ：为理论弹塑性屈曲失稳力；　

譬＝　苦Ｒ）、／　万一＼　／　

警ＭＰａ；　ＭＰａ；　稳定性分析有限元方法分为线性屈曲和非线性　屈曲两种。线性屈曲又称为特征值屈曲分析。通过　

线性有限元来求解特征值，非线性屈曲分析中的初　

始挠度可以由线性屈曲引入。结构非线性屈曲分析　

是以非线性有限元为基础，考虑几何非线性、边界条　件非线性、材料非线性，常用弧长法求解。　

２．１线性屈曲法　

线性屈曲以小位移、小应变的线弹性理论为基　

４３　曲文新，等：载人潜水器耐压壳结构ｌ临界失稳压力研究　

得到的载荷位移曲线（见图５），模型的临界失　

稳压力为３１．４　ＭＰａ（高于２２　ＭＰａ），满足设计规范要　

求。为了研究球壳对初始挠度的敏感性，令初始挠　

度幅值分别取０、０．００２、０．ｏ０５、０．Ｏ１、０．０２、０．０５、０．１和　０－３（单位均为ｍｍ），进行相同的工作，所得到的临　

界失稳压力可绘制成如图６所示曲线。　

皇３１．５　

球３０．８　蝗　。　。。　印　位移，ｍｍ　图５载荷位移曲线　

０．０　０．１　０．２　０．３　初挠度幅值／ｒａｍ　图６初挠度对临界失稳力影响　

由图可现．薄球壳对初挠度不是很敏感，初挠度　

幅值从０　ｍｍ增至０．２　ｍｍ．临界失稳压力仅下降了　

１．６％：初始挠度增大至Ｏ．３　ｍｍ时，则下降了４．１６％。　可见。在初始挠度不是很大的情况下，初挠度引起临　

界失稳力的下降比较小。　２．３规范与有限元屈曲分析对比　

规范计算结果与两种有限元分析结果见表２。　

ＣＣＳ规范计算值较ＧＬ规范计算值与有限元计算结　

果小且偏保守。　

表２规范计算结果与有限元分析结果　线性屈曲分析方法得到的是弹性屈曲压力，其　

优点是计算速度快，可以利用其对结构屈曲形状进　行了解。可以作为非线性屈曲分析的初步评估，缺点　

是没有考虑非线性与初始挠度，得到的是临界失稳　

压力的上限值，通常要高于实际值，而实际工程结构　分析中则更期望得到的是保守值。　

采用弧长法的非线性屈曲分析在计算过程中考　

虑了材料、几何非线性与初始缺陷的影响，因此分析　得到的ｆ临界失稳压力更接近于结构真实的临界失稳　

压力。除此之外，在后处理中通过分析应力与位移　云图可以发现结构最先失稳的位置即结构最薄弱的　

局部区域，便于设计者能更好地对结构薄弱区域进　行相应加强：同时弧长法可以全过程跟踪失稳过程，　

记录模型随着载荷逐渐增大直至结构失稳的全过程，　

查询模型在任意变形阶段任意位置处的应力与应变　大小，这些都是线性屈曲分析方法所不具备的优点。　

通过将弧长法的计算结果与模型试验的对比分　析可知＿９］。弧长法分析得到的计算结果要低于试验　

值。可见该方法是可靠的，所以在球壳单开孔与多开　

孑Ｌ情况下。将采用该法进行临界失稳力的分析。　

３有开孔耐压球壳临界失稳力分析　

对开孔耐压球壳临界失稳压力的分析按单开孔　

与多开孔两种形式分别进行分析，首先在仅存在一　

个开孔情况下．分别对人员进出舱及主侧观察窗　座进行改进．之后建立多开孔模型进行非线性屈　

曲分析。　

３．１单开孔耐压球壳临界失稳力分析　本模型的厚度半径比为０．０２，属于薄壳范畴，在　

薄壳上开孔。对其整体稳定性的影响是非常大的，　开孑Ｌ区域的应力集中会造成这些区域最先破坏。　

本文通过对人员出入舱围栏（图７）及观察窗基座　

图７出入舱围栏　

４５　蛐　加　ｍ　０　

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