深海载人潜水器载体框架结构设计与强度分析_图文

1、48卷第 2期 (总第 177期 中国造船 Vol. 48 No. 2(Serial No. 177 2007年 6月 SHIPBUILDING OF CHINA J une 2007文章编号 :1000-4882(2007 02-0051-09深海载人潜水器载体框架结构设计与强度分析黄建城 , 胡勇 , 冷建兴(中国船舶科学研究中心 , 江苏无锡 214082摘 要载体框架 是用于安装固定载 人舱、 蓄电 池、 可弃压载、 可调压载 水舱、 高压气 罐和浮力块等深海 载人潜水 器设备的空间桁架结构 , 也是深海载人潜水器布放、 回 收和甲板系固的主要承力结构。因此 , 载体框架的设计 应便于

2、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 , 以保证载人潜水器的布放和 回收 , 以及在母船甲板上系固。 在上述条 件下 , 还应使其重量尽可能小。 总结和介绍了我国正在建造的深海载 人潜水器 载体框架的材料选 择、 计算工况 及设计载荷与许用 应力的确定、 结构型式的确定、 构件的连接 方式、 节点的优化 处理 , 以及 结构强度的分析方法 , 给出了载 体框架在单点回收 和甲板系固两种工况 下的强度分析 结果 , 为今后研制同类型产品提供参考。关键词 :船舶、 舰船工程 ; 深海载人潜水器 ; 载体框架 ; 结构 设计 ; 强度分析中图分类号 :U 6

3、61. 4; U 662. 2 文献标识码 :A1引言随着各国经济的飞速发展和世界人口的不断增加 , 人类消耗的自然资源越来越多 , 陆地上的资源正 在日益减少。为了生存和发展 , 人们开始向海洋进军。占地球表面积 49%, 最深可达 11000m 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。 近 20年来 , 美国、 日本、 法国和俄罗斯已发 展了 6000m 级深海载人潜水器 , 运载科学家和工程技术人员精确地到达各种深海复杂环境 , 进行高效 的资源勘探、 科学考察和打捞作业。 20世纪 90年代初 , 我国也相继投入了大量的人力和物力进行深海载 人潜水器的研究开发

4、。载体框架是深海载人潜水器各分系统设备的安装基础 , 潜水器上的载人舱、 蓄电池、 可弃压载、 可调 压载水舱、 高压气罐、 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 载人潜水器。 同时 , 载体框架也是深海载人潜水器布放、 回收和甲板系固的主要承力结构。 因此 , 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 , 以保证载人 潜水器的布放和回收 , 以及在母船甲板上系固。在上述条件下 , 还应使其重量尽可能小。本文总结和介绍了我国正在建造的深海载人潜水器载体框架的结构设计要点和强度分析方法 , 并 给出了

5、载体框架的强度分析结果 , 为今后研制同类型产品提供参考。2结构设计2. 1材料的选择为节省价格昂贵的浮力材料 , 提高深海载人潜水器的机动性和灵活性 , 在保证足够的强度和刚度的 :情况下 , 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 , 这些材料的比强度和比刚度如表 1所示。显然 , 钛合金 的比强度远远大于高强度钢和铝合金 , 而其比刚度与高强度钢和铝合金相当。此外 , 钛合金还具有耐高 温、 耐腐蚀 (表面易产生致密的钝态氧化膜 及良好的低温韧性等特性 1, 已广泛应用于深海载人潜水 器。所以

6、 , 可以认为钛合金材料是加工制造载体框架的理想材料。钛合金中的 T -3B (相当于 T i 75 为近 型中强合金 , 其焊接性 能、 塑性和韧性均比高 强钛合金 TC 4( + 型 优良。因此 , 选用其为载体框架的制造材料最为合适 , 其化学成分和力学性能列于表 2和表 3。表 1可选材料的比强度和比刚度比较材料 /tm -3! 0. 2/M Pa E /G Pa 比强度 ! 0. 2/比刚度 E /钛合金 T -3BT i75T C 44. 54. 54. 5675630830110110110150140184. 424. 4 24. 4 24. 4高强度钢 9219807. 85

7、7. 8558878420020074. 999. 925. 5 25. 5铝合金54566061-T 62. 72. 7145245707053. 790. 725. 9 25. 9表 2 T-3B 钛合金化学成份T -3B T i A l V Zr Si Fe O H N C 杂质规 范要求值 /%实测值 /% 基3. 5-5. 54. 481. 2-2. 51. 95 0. 300. 020 0. 120. 011 0. 250. 069 0. 150. 102 0. 0060. 003 0. 040. 007 0. 100. 007 0. 30 0. 063表 3 T -3B 钛合金

8、(退火状态 力学性能T -3B ! 0. 2/M Pa ! b /M P a /%#/%规范要求值 实测值 600689650870744 1112. 6 26 35. 12. 2结构型式的确定在设计该深海载人潜水器之前 , 国内并没有研制大深度载人潜水器的参考经验 , 国外公开发表的相 关设计参考资料也极其稀少 , 因而载体框架结构型式的确定必须采取循序渐进、 不断完善的过程。这个 过程体现在以下三个方案选择过程中 :结构型式一 (空间斜拉杆式 、 结构型式二 (平面斜拉杆式 和结构 型式三 (最终结构型式 , 如图 1所示。这三种结构型式的相同点是 : 优先考虑了潜水器总布置和型线的约束

9、; 采用单点布放回收方 式 , 以减小潜水员在恶劣海况下装卸起吊缆绳的危险程度 ; 从单点起吊部位分别向艏部和艉部设置 斜拉杆件 , 以保证载荷的有效传递和构件承载效率的提高 ; ! 采用纵骨架式结构 , 以利于保证载体框架 的总纵弯曲强度 ; 艉部分段采用星形板架结构 , 方便潜水器艉部四只十字型布置的推进器、 四只 X 型 布置的稳定翼及浮力块的安装固定。不同点是 : 结构型式一为了解决潜水器内部重约 6t 的载人舱和重约 1. 2t 的主蓄电池的安装空 间和载荷的有效传递 , 设置了大量的空间斜拉杆 , 降低了潜水器型表面内部的空间利用率 , 使浮力块的 布置、 设计和加工带来了很大的困

10、难 ; 结构型式二针对结构型式一存在的问题作了改进。首先 , 根据 52中国造船 学术论文 (a 结构型式一 (空 间斜拉杆式 (b 结构型式二 (平面斜拉杆式 (c 结构型式三 (最终结构型式 图 1载体框架的结构型式次 , 取消双层底结构 , 进一步提高载体框架内部空间的利用率 , 减轻载体框架的重量 , 并将顶纵桁、 底纵 桁和舷侧纵桁设计成纵向连续的强构件 , 在载人舱的安装部位设置强底横梁和强横框架 (#8+240肋位 横框架 , 解决载人舱和蓄电池的集中载荷给载体框架设计带来的困难 ; 再次 , 将起吊点与艉部之间的空 间斜拉杆布置于顶纵桁和底纵桁所在的铅垂面内 , 并在载体框架顶

11、部设置横撑构件 , 保证载体框架的强 度和刚度 , 便于浮力块的布置、 拆装和维护 ; 另外 , 根据潜水器艏部槽道桨和纵倾调节罐的安装位置和安 装方式 , 修改载体框架的艏部结构 ; 随着载体框架设计的不断深入 , 发现结构型式二也存在某些不足。一是在舷侧纵桁、 起吊横框架、 #8+240肋位强横框架和主蓄电池的抛载部位使用了刚性和抗扭性能较好的矩形截面封闭式型材 , 这些封闭式型材的使用对载体框架的氩弧焊接工艺有着更高的要求 在焊接时需要采取特殊的工艺措施 , 防止焊缝及其热影响区氧化和氢脆 ; 二是根据总体的设计方 案 , #6肋位、 #7肋位之间的舷侧要布置 T-3B 钛合金制造的压载

12、水箱 , 组焊于载体框架上 , 其间设置的 空间斜拉杆将影响压载水箱组装焊接的操作空间 ; 三是蘑菇头起吊点与母船吊放系统的 A 型架导接头 (Docking Head 的结构形式不匹配。 为此 , 又在结构型式二的基础上作了如下改进 :首先 , 将所有的封闭 5348卷第 2期 (总第 177期 黄建城等 :深海载人潜水器载体框架结构设计与强度分析6肋位、 #7肋位和 #8-200肋位间的空间斜拉杆 , 取消 #7肋位的斜撑 , 将压载水箱设计成加筋板结构 , 并将其作为载体框架的承载构件与载体框架的设计融为一体 , 进一步减轻潜水器的重量 ; 最后 , 根据 A 型 架导接头的匹配要求设计

13、起吊耳板 , 并对起吊框架作了相应的修改。至此 , 最终确定结构型式三为载体 框架的结构型式。总之 , 载体框架结构型式的设计应综合考虑结构强度的安全性、 空间布置的合理性和加工建造的工 艺性。2. 3 构件的连接方式从目前世界上仅有的几艘深海载人潜水器来看 , 载体框架的构件连接方式主要有两种 :焊接连接和 螺栓连接。其中 , 美国的“ ALVIN ” 和俄罗斯的“ CON SU L ” 采用焊接方式 , 而日本的“ 深海 2000” 和“ 深海 6500” 采用螺栓连接方式。考虑到框架结构的复杂性 , 同一节点处的构件比较多 , 若采用螺栓连接 , 必须 增加大量的连接肘板 , 这势必增加

14、载体框架的重量 ; 而采用焊接 , 不仅不必增加大量的连接肘板 , 而且构 件的连接节点具有更好的连接刚度和局部强度 ; 由于 T-3B 钛合金的氩弧焊接工艺已非常成熟 , 焊接 后焊缝及其热影响区的机械性能与母材相当 , 因此 , 载体框架的构件连接方式采用焊接。 2. 4 节点的优化处理载体框架的节点为多根构件的交汇焊接部位 , 结构复杂 , 且焊接操作的空间狭小 , 氩弧焊接时应根 据具体的节点结构设计氩气保护拖罩以避免焊缝被氧化或氢脆。 同时 , 节点是构件与构件间传递力和力 矩的纽带 , 往往也是结构应力集中的部位 , 如果此处焊缝存在缺陷 , 焊缝在循环载荷作用下将产生裂纹 并不断

15、扩展而使结构受到破坏 , 因此 , 节点的设计是框架设计的重点 , 也是框架设计的难点。考虑到制造时所有的构件均由板材组合焊接而成 , 故在设计时将传统的肘板连接融合于构件的面 板或腹板的设计当中 (如图 2 , 以减少节点部位的焊缝或将焊缝错开一定的距离 , 避免同一部位多次重 复焊接 , 从而降低节点处的应力集中 , 减轻框架结构的重量 , 提高焊缝的焊接质量 , 减小焊接变形和焊接 残余应力。对于难以进行构件端部处理的个别节点 , 采用圆弧形肘板对接加强 (如图 3 。采用圆弧形肘 板连接具有使构件的过渡更加均匀 , 连接处应力集中系数比直线形肘板 (如图 4 小的优点 2; 同时 ,

16、对接 肘板的连接强度高于搭接 3, 且焊接残余应力小。图 2典型节点的优化处理54中国造船学术论文 图 3圆弧形肘板对接图 4直线形肘板对接3强度分析3. 1计算工况根据潜水器布放、 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 : 在四级海况下 , 能通过 A 形架正常地进行潜水器的单点布放和回收 ; 在五级海况下 , 也能将潜水器安全地回收到母 船甲板 ; 潜水器存放在母船机库时 , 能通过缆绳系固以避免潜水器因母船的摇荡而与机库内的舱壁 等相碰撞。考虑到在五级海况下单点回收潜水器要比在四级海况下布放和回收潜水器危险得多 , 故取 5级海 况为校核载体框架强度和稳定性的计算工况

17、。 3. 2 设计载荷与许用应力 49载人潜水器单点起吊回收时 , 综合考虑母船在五级海况下的运动参数、 残留在耐压壳体与轻外壳间 来不及流走的包络水、 以及附连水、 波浪载荷和风载荷等动载效应的影响 , 本文计算中取动载系数为 2。 将基本载荷 (即载人潜水器在空气中的重量 22. 7t 乘以动载系数作为设计载荷。 再考虑到材料及其加工 工艺可能存在的缺陷、 设计载荷估计的不准确性、 强度计算方法的不确定度等因素 , 取安全系数为 3。载人潜水器在甲板机库系固时 , 主要考虑五级海况下母船运动参数的影响。 进行该工况下载体框架 的强度和稳定性计算时 , 根据母船的运动特性 , 取垂向加速度为

18、 0. 53g , 安全系数为 3。强度校核时取屈服强度为 600M Pa, 故许用应力为 200M Pa 。载体框架的设计载荷和许用应力列于 表 4。表 4载体框架的设计载荷和许用应力工况 海况 动载系数垂向加速度 a /g安全系数许用应力 /M Pa单点回收 甲板系固5级 5级2 0. 53332002003. 3强度分析方法载体框架是复杂的三维空间桁架结构 , 目前尚无成熟的简化计算方法和现存的校核规则 , 因而采用 结构有限元分析软件进行结构强度分析作为载体框架方案优选和强度校核的基本手段。在方案优选阶段 , 考虑到载体框架结构的复杂性 , 对于艉部分段之前的空间框架结构 , 采用建模

19、简 单、 计算量小且精度能满足要求的三维梁单元建立有限元模型。然后 , 根据潜水器的阶梯型重量分布曲 线和计算工况 , 以及设备、 浮力块等的安装位置 , 将相邻肋位间的载荷施加于相应的构件节点并进行强 度计算。计算完毕后 , 分析应力分布和变形情况 , 评估构件剖面形状和尺寸是否合适。如果某些构件的 应力值过高或过低 , 再分析其受力特点 , 修改构件剖面形状或尺寸并重新计算 , 直到各构件的应力水平 大致相当且在许用应力范围之内 , 从而保证载体框架的总体强度。, 5548卷第 2期 (总第 177期 黄建城等 :深海载人潜水器载体框架结构设计与强度分析56 中国造船 学术论文 立三维结构

20、有限元模型进行强度和刚度分析, 以考察各构件的面板、 腹板的应力、 位移分布状态。 3. 4固化方案的强度校核 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, 并进行单点 回收和甲板系固工况下的强度和刚度校核。 3. 4. 1有限元模型的建立 除起吊插销和止荡支座采用实体单元外, 所有的构件均采用板单元, 各个构件相交的节点力求做到 真实反映几何特征, 减少对实际结构的简化。 对板单元的网格划分, 除局部节点采用三角形单元过渡外, 其他均采用四边形单元, 整个模型共有61660 个 Shell 63 单元, 531 个 so lid45 单元。 载荷的施加方法

21、: 设备和浮力块的重力简化成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。艏纵倾调节罐和艉纵倾调节罐的安装部位, 考虑水银全部打到一头的极限状态, 各加载 5. 2kN。 边界条件的处理: 在单点回收工况下, 起吊点自由支持; 在甲板系固工况下, 台架座支撑点自由支 持。载体框架的几何模型见图 5, 有限元模型见图 6。 图 5几何模型图 6有限元模型 3. 4. 2单点回收工况下的计算结果 在动载系数为2. 0, 合成应力大于140 M Pa 的构件如图7 所示, 各序号对应

22、的合成应力列于表5; 各肋 位的位移计算值列于表 6。 图 7单点回收工况下的 高应力分布点 表 5单点回收工况下的合成应力计算值/ MP a 序号 合成应力 序号 合成应力 1 393 15 171 2 263 16 170 3 263 17 169 4 250 18 167 5 248 19 165 6 224 20 185 7 223 21 145 8 225 22 179 9 217 23 149 10 213 24 146 11 212 25 144 12 183 26 144 13 181 27 142 14 172 28 141 48 卷第 2 期( 总第 177 期 黄建城等:

23、 深海载人潜水器载体框架结构设计与强度分析 57 表 6单点回收工况下的各肋位位移计算值/ mm 肋位 横向位移 纵向位移 合成位移 # 0 # 1 # 2 # 3 # 4+ 250 2. 3 4. 0 # 5+ 150 0. 6 2. 7 - 4. 9 5. 5 # 6 # 7 # 8- 200 1. 5 2. 7 - 3. 4 4. 2 # 8+ 240 1. 5 3. 6 - 6. 7 7. 4 # 9 # 9+ 640 4. 7 2. 0 0. 3 2. 7 0. 4 4. 7 0. 9 6. 5 1. 0 2. 6 7. 4 0. 6 2. 5 2. 7 0. 5 2. 3 2. 4

24、 0. 9 2. 7 - 11. 9 12. 0 垂向位移 - 19. 1 - 15. 0 - 8. 6 - 7. 4 19. 1 15. 0 10. 4 - 11. 4 12. 1 - 1. 3 - 1. 3 - 12. 2 12. 7 3. 4. 3甲板系固工况下的计算结果 在 0. 53 g 向上加速度条件下, 合成应力大于 110 M Pa 的构件如图 8 所示, 各序号对应的合成应力列 于表 7; 各肋位的合成位移列于表 8。 图 8甲板系固工况下的 高应力分布点 表 7甲板系固工况下的合成应力计算值/ MP a 序号 合成应力 1 284 2 257 3 256 4 208 5 1

25、74 6 173 7 163 8 155 9 155 10 138 11 137 12 130 13 120 14 123 15 111 表 8甲板系固工况下的各肋位位移计算值/ mm 肋位 横向位移 # 0 # 1 # 2 # 3 # 4+ 250 1. 3 1. 2 - 5. 4 5. 5 # 5+ 150 - 0. 4 0. 9 - 2. 6 2. 8 # 6 # 7 # 8- 200 - 1. 0 0. 7 - 1. 6 1. 7 # 8+ 240 - 2. 4 0. 7 - 2. 3 2. 7 # 9 # 9+ 640 - 4. 1 2. 1 - 9. 8 10. 3 0. 2 0.

26、 3 0. 6 3. 9 4. 0 0. 3 0. 7 1. 1 - 0. 1 - 0. 2 0. 6 0. 6 0. 8 1. 2 - 0. 5 - 1. 2 - 2. 0 0. 8 - 3. 4 3. 5 纵向位移 - 1. 4 2. 6 合成位移 8. 1 5. 6 垂向位移 - 8. 1 - 5. 6 - 0. 9 - 1. 1 3. 4. 4计算结果分析 从单点回收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, 载体框架的整体应力 分布较为均匀, 平均应力水平在 150MP a180M Pa。这说明载体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

27、有效的传递。对于存在局部应力集中的节点 2 横框架的顶横 # 梁中部和底横梁中部、 艏纵倾调节罐支撑横梁的端部、 7 肋位压载水箱与底纵桁的交接部位, 建议在加 工建造载体框架时采用肘板作适当的加强。 由单点回收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。 # 58 中国造船 学术论文 4结语 综上所述, 一个安全、 可靠、 重量轻的载体框架的设计, 不仅要选用密度小、 比强度高、 耐腐蚀且焊接 性能优良的材料, 而且要确定适当的设计载荷和许用应力, 更重要的是要充分考虑潜水器上所有设备和 浮力块等的安装、 拆

28、卸和维护空间, 载体框架在各种工况下载荷的有效传递, 以及载体框架加工建造的 工艺性。 根据载体框架在单点回收和甲板系固两种工况下的强度分析结果, 可以认为, 我国正在建造的深海 载人潜水器载体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, 因而载体框架的设计是成功的。 参考文献: 1 佐藤正信, 等. 深海潜水调查船用 合金! 强度特性 # ! 评估 J . 三菱重工技报, 1978, 15( 6 : 7484. 2 CCS. 船体结构疲劳强度指南 S . 北京: 人民交通出版社, 2001. 3 邢金有. 肘板连接的极限强度分析 J

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31、nned subm ersible is desig ned as a space f rame str ucture f or inst alling m anned pressur e hull, bat teries, drop bal last s, and variable bal last sphere , high pressure air sphere , buoyancy m aterials and so on . It is also t he m ain load -carry ing st ruct ur e w hen t he m anned submersible is launched int o or r ecovered f rom inclem ent sea st at e using an A-f rame cr ane w hich is mount ed on a support ship , or f ixed on board . T herefo re , t he desig n of the fr am ew o k should f ul ly co nsider t he space