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 ANSYS有限元分析在深潜器框架结构中的应用
发布者:王建 出处:佳工机电网 日期:2010/6/28 阅读:2240 推荐:0 点评:0
   

1 引言

21世纪是海洋勘探和开发的世纪,地球的表面积为511 ×108 Km2 ,其中海洋的面积为3. 6 ×108Km2 ,占地球总表面积的71 %。海洋作为人类尚待开发的宝地和高技术领域之一.最深可达11000米左右的国际深海和洋底区域蕴藏着丰富的战略金属、能源和生物资源。这些是地球上尚未被人类充分认识和利用的最大潜在宝库。人类逐渐把目光转向资源丰富的海洋,海洋资源开发成为各沿海国家竞争的焦点。然而海底世界压力巨大,环境恶劣,一般的设备难以胜任。潜水器作为海洋勘探及开发、水下抢险救生等工程不可缺少的技术装备,世界各主要国家均已大力发展这项技术。作为海洋大国,我国理应在深潜器研制及应用方面占一席之地。

载体框架是潜水器各个设备的安装基础,潜水器上的控制舱、电池舱、可弃压载、各种探测设备、浮力块和轻外壳等都将固定在载体框架上,从而形成一艘具有良好水动力性能的潜水器。同时,载体框架也是潜水器布放、回收和甲板系固的主要承力结构。因此,框架结构设计的好坏直接关系到潜水器的使用安全,是潜水器整体设计的基础。载体框架的设计应便于设备、仪器、浮力块和轻外壳的安装、拆卸与维护;并有足够的强度和刚度,以保证潜水器的布放和回收,以及在母船甲板上系固。

2 潜器框架结构形式及主要尺度和参数

2.1 潜器的尺寸参数

总 长: 2.13米
直 径: 0.5米
排水量: 330千克

2.2 材料的选择

为提高潜水器的机动性和灵活性,在保证足够的强度和刚度况下,载体框架的重量应尽可能小,即所选用的制造材料应具有较高的比强度和比刚度。常用潜水器结构的制造材料为钛合金、高强度钢、铝合金等。本潜器是在渤海海域使用的,属于近海潜器。在设计时,使用了新型塑料低潜器的重量。该塑料具有吸水率低,密度小,拉伸强度大,等特性。

3 强度分析

3.1 计算工况

根据《规范》在计算分析承载框架的强度和刚度时,应考虑到作业过程中的意外超载和潜水器在穿越空气—水界面时的特殊工况,及母船运输过程中母船运动(横摇、纵摇等)的影响。根据潜水器布放、回收和在母船甲板上系固的要求,所设计的载体框架应满足:1在四级海况下,能正常地进行潜水器的两点布放和回收;2在五级海况下,也能将潜水器安全地回收到母船甲板;3潜水器存放在母船机库时,能通过缆绳固定以避免潜水器因与母船的机库内的舱壁等相碰撞。

五级海况下两点收放潜水器要比在四级海况下布放和回收潜水器危险得多,故在强度计算时取五级海况为校核载体框架强度和稳定性的计算工况。

载体框架是复杂的三维桁架结构,受力状况较为复杂,目前尚无成熟的简化计算方法和现存的校核规则,因而应用结构有限元分析软件进行结构强度分析是载体框架强度校核的基本手段。本文采用ANSYS结构有限元分析软件对载体框架的固化方案建立三维结构有限元模型,并进行双点回收和甲板系固工况下的强度和刚度校核。

3.2 有限元模型的建立

潜水器承载框架结构复杂,工作环境特别,安全性要求很高,需要细致考察各个构件及节点的应力位移分布状况。在建立框架的几何模型阶段,为了力求做到真实反映几何特征,减少对实际结构的简化,除了艇体中部的起吊梁,及中部的设备框架以线结构建立外,其余构件均采用板结构建立。在对几何模型进行网格划分时,主要采用两种单元类型,即板单元和梁单元。网格划分的过程中,为了提高计算精度,将所有的板均切割成规则形式,以得到四边形面单元,通过对梁单元赋予不同的断面属性来真实反映其几何结构。

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图1 潜器的有限元模型

3.3 约束和载荷的施加

对有限元模型边界条件的处理:起吊点自由支持,约束起吊点x,y,z三个方向的自由度及三个方向的转动自由度;在母船系固工况下,将框架支撑点自由支持,约束支撑环下面各个底部腹板底线竖直方向的自由度。

载荷的施加方法:该潜器的的设备繁多,在加载过程中分两种形式进行加载,一是框架的自身重力,以重力加速度的方式表示,另一种是潜器上的仪器设备,它们将简化为集中力施加到相应节点上。其中小设备的重力以集中力形式施加到1个或几个节点上;较大设备的重力,则根据设备基座或支架的结构形式,施加到相应的多个节点上。

3.4 计算结果分析

经过有限元的计算, 两点收放,甲板系固时,潜器框架结构的变形(图略)。

从两点收放和甲板系固两种工况下的合成应力计算结果可知,除少数节点外,潜器框架的整体应力分布较为均匀,在两点收放时的最大应力为58.6MPa,甲板系固时的最大应力为18.7MPa。这说明潜器框架各构件的强度都得到了较好的利用,作用在载体框架上的载荷得到了有效的传递。由两点收放和甲板系固两种工况下的位移计算结果可知,各设备、浮力块安装位置的相对变形都很小,对安装在潜水器上的设备和浮力块没有影响。

4 结语

载体框架涉及内容繁多,在其结构设计中需要考虑本身材料性能、焊接工艺、许用应力、结构形式、构件剖面形状,以及备的安装维护、沿长度方向的质量分布、双点起吊位置、潜水器的工作环境(海况与外载荷)等。所以,一个安全、可靠、重量轻的潜器框架的设计,不仅要选用密度小、比强度高、耐腐蚀高性能的材料,而且要在强度许可地方条件下,充分考虑潜水器上所有设备和浮力材的安装、拆卸和维护,潜器框架在各种工况下载荷的传递,以及载体框架加工建造的工艺性。

根据载体框架在两点回收和甲板系固两种工况下的强度分析结果,可以认为,该潜水器框架的结构型式是合理的,各构件的强度都得到了较好的利用,作用在载体框架上的载荷得到了有效的传递,因而该潜器框架的设计是成功的。(end)

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