耐压壳是深潜器重要的构造，一旦耐压壳消灭构造破损，水密舱室漏水，将会引起电池短路、电子仪器设备故障以及电控系统崩溃以致潜水器丧失的恶性事故。因此，设计出具有足够的强度稳定性和尽可能轻重量的耐压壳是深海潜器设计的重要任务。在多种用途的潜水器中，环肋圆柱形耐压舱有着zui广泛的应用，其优点是易于加工、便于舱内设备布置。依据实际的使用要求，耐压舱需要开一个或多个贯穿孔，其开孔主要集中在两端的封头上，通常用于设备电缆的贯穿，以供给能源及信息传输。依据潜水器的使用要求，考虑zui小重量原则及内部设备布置要求，基于标准[1]和有限元方法[2]设计工作潜深为2000m的深潜器耐压舱。耐压舱端部承受平盖封头的圆柱壳，并承受比强度高的钛合金材料，在lsight[3]集成优化环境下进展构造优化并获得zui优解.

在我国现行的潜器入级与建筑标准中耐压壳强度和稳性计算及其校核标准沿用了潜艇设计计算标准中的相关局部，标准中所供给的各种应力和屈曲压力计算公式是针对潜深在300m左右的、承受600MPa级的921材料的耐压构造[4]。大深度潜器耐压壳所用材料、构造形式较之一般潜艇构造形式有着显著的差异，因此对超出标准适用范围的大深度潜器耐压构造的设计，不能完全照搬标准中的设计公式和图表数据来完成其强度与稳性计算。用有限元分析方法来模拟计算潜器耐压构造的破坏强度和破坏过程是耐压构造设计过程中不行缺少的环节。文中基于非线性有限元方法，对承受2000 m海水压力的钛合金耐压壳的的强度及稳定性进展争论。

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1.1钛合金的材料非线性分析

耐压壳选用钛合金材料的优点是质轻(密度约为钢的 60%)，高强(屈服极限可达800 MPa 以上)，耐海水腐蚀，无磁性。因此，尽管存在焊接要求高，加工简单，价格较高等缺点，钛合金材料仍可作为深潜器耐压壳的重要材料。文中对钛合金材料的耐压壳构造性能进展分析计算，其材料性能参数，以及试验数据来自于文献[5]。

依据材料的拉伸试验曲线 σ=σ(ε)，用试验数据应用zui小二乘法拟合出多项式近似模型 σ= a0+a1ε+a2ε2+a3ε3。依据 E(σ)=do/dε 求出 E(σ)的表达式。依据钛合金材料的试验曲线，分线弹性阶段、非线性弹性阶段、屈服到极限阶段，得到应力σ与应变ε的近似关系式。式中各系数值如下。

由以上公式得到钛合金材料曲线的割线弹性模量 Es 和切线弹性模量 Et 数学表达式。从拉伸曲线中选择代表点在 ANSYS 中进展设置，得到钛合金应力-应变曲线，自动得出弹性模量。钛合金的材料参数如下:弹性模量E为124.3 GPa，泊松比为 0.35，比例极限为 640 MPa，屈服极限 800 MPa，拉伸极限 875.2 MPa密度为 4 850 kg/m3。

1.2 钛合金耐压舱的构造有限元分析

对深潜器而言，下潜深度大、所承受压力大，导致所需耐压壳的厚径比较大，已不满足薄壳理论的相关假设要求，因此承受实体建模，选实体单元 Solid186 对模型进展网格划分。在实际使用时，耐压壳两端与封头连接形成水密舱，因此在对有限元模型设置约束条件时，对圆柱壳端部进展六自由度的完全约束。参照标准，在计算结果中分别提取相邻肋骨中点处壳板的周向应力 σ1，肋骨处壳板的轴向应力(支座边界处壳板横剖面上的内外表应力)σ2，肋骨应力 σ3。依据舱内设备布置状况确定内径R=155 mm，长度L=546 mm。给定圆柱形耐压舱的构造初值，取厚度t=12mm，法兰、肋骨尺寸=22 mmx6mm(截面高x宽)，肋骨间距为 136 mm，初始重量值为 34.6 kg。文中计算与文献[6]中的理论分析是全都的，即在相邻肋骨跨度的中点处消灭了壳板周向的zui大应力，在肋骨与圆柱壳连接处消灭了轴向zui大应力。

1.3 耐压舱的构造优化

利用 lsight 设计环境，使用序列二次规划法(NSPQL)，将耐压舱厚度 t，肋骨数量n，矩形肋骨截面尺寸b和 h，作为设计变量;以zui小重量作为优化的目标函数;将标准中对于构造应力、屈服压力的要求作为约束条件。经优化后，耐压壳的厚度值t=10mm，n=5，肋骨尺寸为20mmx10 mm，重量值为 32.9 kg。优化前后的构造相比，重量削减了4.91%。

依据标准[7]选择适用范围为受外压的无孔平盖设计、有孔已被加强的平盖设计计算公式。首先不考虑开孔，初步设计厚度，安全系数取 1.5，圆形平盖的计算厚度(螺栓法兰连接)公式如下。

式中:[o]t——许用应力; φ——焊接接头系数，取 φ=1.0；Dc­­­­­­­­­­­­——平盖计算直径，Dc=0.3323m;

K--构造特征系数，与操作状态及预紧状态相关，依据标准取K=0.3。

耐压舱在实际使用过程中，需要开一个或多个圆孔，其开孔主要集中在两端的封头上，通常用于设备电缆的贯穿，以供给能源及信息传输。依据标准规定平盖开孔直径之和 d≤0.5Dc=0.16615 m 时，假设承受加厚平板代替补强，可将上式K用 K/(u 为减弱系数)代替。考虑端盖开孔数量zui多时的计算状况，开孔直径之和 d=0.156 m<0.5Dc。则减弱系数，则此时平盖的厚度为zui终，平盖厚度按 52 mm 设计，并保证每个舱盖上的开孔直径之和不大于160mm.

为了进一步争论平盖封头开孔大小、开孔分布对耐压壳强度的影响，文中承受有限元方法对设计后的开孔封头进展了强度计算。对模型进展计算，受到 30MPa静水压力计算结果，Mises应力为 637 MPa，在内部小孔边缘处zui大。在 30 MPa静水压力下，平盖的位移云图，zui大位移发生在中心，为 0.7mm。通过计算，可以得出以下设计阅历，对于多个开孔的压力舱封头，满足标准的条件下，开孔应尽量远离位移中心，并均匀分布。深海耐压仪器舱设计制造完成后，需要进展压力试验。该耐压舱是用在深海，所以承受液压试验，试验液体选用水在检验其耐压力量的同时也便于观看水密性能。2023 年5月在哈尔滨工程大学综合试验水池高压试验罐中对耐压舱进展了压力试验，依据标准，打压试验压力取 1.25 倍的工作压力即 25 MPa，保持3h不泄压，验证了耐压舱满足压力与水密要求。

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1)耐压舱经过耐压试验满足便用要求。

2)基于 ANSYS 的二次开发工具 APDL 建立了耐压舱的参数化构造有限元分析模型并在 lsight 集成优化环境下进展了构造优化并获得zui优解，到达了水下构造减重的目的。该方法提高了计算效率，并且可以为后续优化工作供给前提。

3)通过压力容器标准进展平盖设计，并通过有限元校核了带有多个开孔的平盖构造耐压舱承受平盖封头，平盖封头空间占用率低，易于加工，在实际工程应用中更具有优势。

4)对于大深度潜器的耐压壳来说，高强度、低密度、耐腐蚀的钛合金应当是重要材料。（本文转载）

[相关文献]

[1]中国船级社.潜水系统与潜水器入级与建筑标准[s].北京:人民交通出版社，1996.

[2]苟鹏，崔维成.多球交接耐压壳构造优化问题的争论[J].船舶力学，2023.4，13(2):269-277.

[3]iSIGHT Reference Guide [M] .USA:Engineious Software,2023.

[4]刘涛.大深度潜水器构造分析与设计争论[D].无锡:中国船舶科学争论中心，2023.

[5] 李良碧，王仁华，俞铭华，等.深海载人潜水器耐压球壳的非线性有限元分析[J].中国造船，2023，46(4):11-18.

[6]徐秉汉，朱邦俊，欧阳吕伟，等,现代潜艇构造强度的理论与试验[M]北京:国防工业出版 社，2023.

[7]国家技术监视局.GB150-1998钢制压力容器[S].北京:中国标准出版社，1998.