截止目前累计成功为5,000,000 用户成功查重检测

CNCNKI学术不端文献查重检测系统 多语种 图文 高校 期刊 职称 查重 抄袭检测系统

水下耐压结构设计

时间:2016-06-28 23:12:00 编辑:知网 阅读:

摘  要

随着全球人口剧增,资源匮乏的现象已经越来越明显,人们纷纷把目光转向太空和大海,由于海洋资源的丰富多样性,深海探索所获取的资源远远胜过太空探索,可以说,太空探索除了卫星之外一无所获,许多国家己经开始把目光投向了浩瀚的海洋,21世纪是海洋的世纪,海洋的可持续发展是2015年后发展议程的重要方面,在全球政治经济和人类社会发展中的地位和作用日益凸显。伴随着人类开发、探索海洋的过程中,水下耐压结构是必不可少的器具,水下耐压结构的设计一直备受人们关注,水下耐压结构的强度和质量直接影响着深海水下装置的性能,因此研究具有一定强度水下耐压结构非常必要。

本文研究内容主要有:通过首先理论计算方式,计算出结构在水下500米承受静水压强时的安全性能,然后通过有限元建模的方式,分析出耐压壳体的极限应力。在壳体内部想通过在加入释放装置的方式来保证耐压壳体顺利下潜并停留在水下能够正常进行作业,并对释放装置的结构进行设计,对其关键零部件进计算与校核。

第1章 绪论

1.1论文的背景及意义

随着全球各国在粮食、资源、能源等方面供应紧张与人口快速增长矛盾日益加剧,开发利用海洋资源成为各国发展的必然选择[1]。我们中国“十二五”规划中也特别强调要“推进海洋经济发展、提高海洋资源开发能力、发展海洋经济、建设海洋强国”。21世纪,我们“海洋的世纪”己经到来,中华民族开发海洋的脚步会越走越快,越走越远,越走越深。

伴随着人类对海洋的开发和利用,各种大潜深潜水器(如图1.1)作为人类认识海洋、开发海洋、保护海洋的有力工具,扮演着重要的角色[2]。而一些小型耐压深潜装置以一种灵活自由的方式在我们人类探索未知海域时要比大型深潜潜水器起到更大的作用, 本文设计的就是一种可以实现下潜功能的小型水下耐压结构,小型水下耐压结构可以搭载探测元件在海水中工作几个月,为人们提供有效的水下的信息。

 

图1.1  “蛟龙号”深潜潜水器

该水下耐压结构具有以下优点:

(1) 可设计尺寸比潜水器小很多;

(2) 适用范围广,在工作范围内均可;

(3) 水下工作整个过程安全,下潜上浮持续时间短,成功率高。

我们展望21世纪,水下耐压结构的研制成功,能够很好地解决探明未知水域水下的情况,为人类征服深海提供有效信息,同时为我国海洋资源的开发和利用提供了坚强的安全保障。对于我国的经济发展和国防建设都具有重大意义。

1.2水下耐压结构研究概况

Kongsberg公司生产的SSBL Positioning Transponder (SPT)系列和MultifunctionPositioning Transopnder ( MPT)系列声学应答器:

1) 这种应答器如图1.2所示(壳体为耐压结构)被设计用来兼容HPR和HiPAP定位系统使用。这两种声学应答器能够通过声学链路上传命令和传感器信息,采用内部电池供电,可以选择配置释放机构和倾角传感器[3]。能够持续工作180天或支持160000次应答。

 

图1.2MPT系列声学应答器

2) Sonardyne公司生产的WSM-8070声学应答器:

该类应答器如图1.3所示(壳体为耐压结构)是设计用来兼容Sonardyne宽带定位系统,该系统可以兼容SIMRAD HPR和Sonardyne LUSBL定位系统,通过PC机软件配置可以设置任意的询问和回复频率,并且能够方便的更改命令地址[4]。外部可以选择配置压力传感器,通过发送两个时延编码的脉冲上传深度信息,能够工作在3000米水深和水文条件较差的环境下。

 

图1.3WSM-8070声学应答器

3) IXSEA公司生产的RT系列声学应答器:

该类型应答器如图1.4所示(壳体为耐压结构)是设计用于兼容IXSEA的长基线水声定位系统。通过测量声学应答器和发射器的时延信息来计算水下声学应答器的位置并且带有释放机构,具有自释放功能[5]。工作于深水6000m。

现阶段国内的声学应答器设备尚处于研制阶段,使得在这一领域我们处于比较落后的局面,各种应答器的可靠性和稳定性与国外先进国家有较大差距。随着海洋工程的发展需求,迫切要求改变这种这种现状,如今声学应答器需要根据工作环境不同,选择配置不同的传感器,包括压力、温度、倾角传感器,同时还要达到能够自由下潜,上浮的功能。所以该如何使这些传感器到达所测水域的深度成为了首屈一指的问题,就需要到一个又耐压,耐腐蚀,还能实现灵活下潜功能的水下耐压结构。

 

图1.4RT系列声学应答器

2006年,武汉理工大学采用钦合金薄壁球壳结构,通过研究分析了该结构的四种缺陷的同时对其进行了非线性有限元屈曲分析,得出了初始缺陷、材料屈服强度和失稳压力的关系。2013年中国舰船研究院提出来一种新型的耐压结构的初步设计方案,同时建立了耐压结构强度计算理论的方法[6]。国内外水下耐压结构的现状和发展都非常的重视,本课题以能实现下潜的水下耐压结构为研究对象,对耐压壳体结构的尺寸进行设计与校核。耐压壳体的主要结构形式是薄壁柱壳结构,其主要承压结构是耐压柱壳[7]。为了提高水下耐压圆柱壳结构的稳定性,壳体有时会按一定间距布置了环向肋骨。虽然相关文献对残余应力影响圆柱壳体或球壳的稳定性进行过一些研究,但是对焊接残余应力和变形对高强度钢中厚板耐压环肋圆柱结构稳定性和极限承载能力影响的研究较少,且研究过程较难较繁琐。

1.3本论文研究的内容

本论文在当今耐压壳体结构的设计研究为基础,进行了水下耐压结构的结构设计,具体内容如下文所述:

(1)通过研究水下耐压壳体在材料选择方面的差异,分析了各种常用耐压材料的力学特性和其他特性,选择最为合适的钛合金作为壳体主体的材料,确定壳体结构为单层圆柱壳体,并且进行在外压均布载荷下作用下的耐压壳体结构尺寸计算,确定了壳体的尺寸参数。

(2)进行端盖的尺寸设计,确定端盖和壳体的连接方式为螺栓连接,并对其进行校核。

(3)通过对耐压结构的目的进行分析,确定了释放结构的必要存在,分析释放结构工作原理确定释放机构的组成部分,对其各部分进行尺寸设计,考虑各个部分的连接方式,以及端盖与释放结构零部件的连接方式,释放结构各主要零部件的的设计与校核。

(4)通过ANSYS有限元分析理论,分析了壳体在水下500m工作水深时的受力情况和变形情况,确保耐压壳体不被破坏。

 

 

 

第2章 水下耐压结构的总体方案设计

2.1水下耐压结构设计要求

机械设计系统的设计的目的就是满足现实对于产品的各种形式的要求,这些要求包括:功能性要求、适应性要求、性能指标的要求、使用寿命的要求以及经济性要求与安全性要求。以下具体展开说明:

功能性要求包括:

1、水下耐压结构要保证在水下承受巨大的静水压力时不会被压裂、压瘪,不能发生端盖与壳体的连接失效等情况。

2、水下耐压结构要有足够强的抗腐蚀能力,因为海水的成分是很复杂的。海水中化学元素的含量差别很大。除氢和氧外,每升海水中含量在 1 毫克以上的元素有Cl、Na、Mg、S、Ca、K、Br、C、Sr、B 和 F 共11种,一般称为“主要元素”[8]。海水的无机盐浓度也是很高的,对金属有着很强的腐蚀性[9]

3、水下耐压结构要能实现下沉与上浮的要求。

如果将水下耐压结构的功能性要求具体化,那就是水下耐压结构的性能指标。根据海水水深500m环境为水下耐压结构提供以下指标:

工作水深:500m

下潜速度:6m/s

在进行水下耐压结构设计时,所设计的结构还要在其使用期内能满足其它要求。其它要求包括:

(1)在使用期间工作性能良好;

(2)结构的使用年限要满足要求;

(3)设计的结构要经济、合理;

所有结构在设计和使用过程中最重要的问题就是评价和估计结构的安全、适用和耐久性。

2.2水下耐压结构方案设计

水下耐压结构由:耐压壳体结构、释放结构、端盖三部分构成。水下耐压结构的组成如图2.1所示:

 

图2.1 水下耐压结构的组成

耐压结构的壳体结构型式是依据其工作深度和使用要求选择的。耐压壳体结构的设计分为:初步设计、优化设计、最终设计方案。首先依据要求选择相应的主尺度,初步选择其耐压结构的设计参数,对耐压结构进行强度和稳定性校核,从而得到满足空间、强度和稳定性等要求的耐压结构初步设计方案,然后通过对耐压结构进行优化设计,得到最优的设计方案,确定最终合理的设计方案。在耐压结构设计的过程中,可根据不同的结构形式和设计过程选择不同的方法。例如规范设计法和经验公式法可用于初选耐压结构尺寸,而理论设计法和有限元法则可用于对结构强度和稳定性的校核。

端盖与耐压结构之间的连接方式一般为螺纹连接,螺纹连接要注意它的计算与校核必须满足螺栓的强度要求,不要出现断裂或者失效的现象发生。

释放结构机械结构部分主要动力装置,传动装置,转轴,螺母,限位开关,挡销,挂钩等几部分组成。限位开关是控制零件机械位置的主令电器,它可以决定对动力装置的工作与否。挡销插在下端口的中心孔内,挡住释放钩,当转轴转动时,带动螺母上下位移,由于挡销与螺母用螺栓连接,所以挡销也会相应做上下位移,当挡销在限位开关底端向上位移到顶端时时,限位开关关闭动力装置使其停止工作,同时释放钩会因为重物重力的作用绕销轴旋转,当旋转60°时,释放钩挡板不再能挡住挂钩上的重物,重物自由下沉,而耐压壳体停在工作水深。

 

利用电动传动的释放结构主要部分如图2.2所示:

 

图2.2 利用电动传动的释放结构的组成

整个释放机构的工作分为两种状态和两种过程:正常挂载锁死状态和空载开钩状态;机械释放过程和机械锁钩过程,其工作流程如下:

第一,带载锁死状态。该状态下螺母位于限位开关底部,直流电机两端没有压差不工作,电机不通电,转轴不转动,挡销伸出耐压结构壳体外,阻挡挂钩在重物重力作用下旋转开钩释放重物,此时耐压壳体结构可以稳定下沉

第二,空载开钩状态。该状态下丝杠螺母上升至限位开关顶部,限位开关将直流电机关闭,直流电机正负极端无压差停止转动,转轴上的螺母停止向上位移,此时挡销挡住释放钩部分被拉回壳体内,释放钩在重物作用下旋转,释放成功重物。

第三,释放过程,该过程的初始状态是处于第一种状态。这时给电机通电,电机工作,电机轴通过联轴器带动转轴旋转,螺母将转轴的回转运动转化为线性运动,螺母在提升力作用下克服阻力向上位移,带动挡销向壳体内部收缩,直到与丝杠螺母相连的挡片到达限位开关顶部处,限位开关控制直流电机停止工作。

第四,锁钩过程(该过程不在水下进行),该过程的初始状态是处第二种状态。其过程为释放过程的逆过程,直到与丝杠螺母相连的挡片到达限位开关底部位置,关闭直流电动机,完成锁钩过程。

相关文章

返回