深海耐压壳球形舱盖非线性屈曲及缺陷影响规律研究

摘要

耐压壳是深海潜水装备的重要部件，用以保障水下工作人员与设备的安全。考虑到设备的安装与人员的进出，需在耐压壳上开孔。而开孔将严重影响耐压壳的整体稳定性，因此需要舱盖对其进行加强。球形舱盖结构满足正高斯曲率，其受力均匀且具有较强承载能力，但此类舱盖易发生非线性屈曲，且其屈曲特性与其自身几何参数、形状缺陷与腐蚀缺陷等因素有着密切的关系。因此，本文针对深海耐压壳球形舱盖的非线性屈曲和缺陷的影响规律进行深入研究，具体内容如下： 首先，研究了均布外压下不锈钢球形舱盖的非线性屈曲特性。基于冲压成型制造了6个名义上完全一样的舱盖模型，测量模型的真实壳厚分布与真实外形并进行压溃试验。通过对舱盖模型的非线性屈曲进行试验与数值分析，发现两者具有良好的一致性。此外，对一系列等质量、变跨径、变跨高的球形舱盖进行数值分析，寻求具有最强承载能力的舱盖。结果表明，当球形舱盖的高径比分布在0.27~0.31时，尤其是约为0.29时具有最好的抗压能力，这种形状的球形舱盖可以用作圆柱形耐压壳的底部封盖或者载人深潜器的出入孔舱盖。 然后，对四种典型初始形状缺陷条件下球形舱盖的非线性屈曲特性进行分析，缺陷类型包括局部凹坑缺陷、曲率半径增大缺陷、集中力缺陷和模态缺陷。数值分析了缺陷幅值、缺陷位置和缺陷范围对舱盖屈曲的影响规律，并对部分缺陷舱盖进行试验验证，试验结果与数值预测一致性良好。结果表明，特别是在缺陷幅值较小时，模态缺陷条件下舱盖的预测结果相较其他三种缺陷舱盖最为保守，因此，前人研究认为集中力缺陷是最不稳定缺陷的结论有待改进。 最后，对腐蚀缺陷条件下的球形舱盖的非线性屈曲特性进行分析。基于快速成型技术制作了42个腐蚀舱盖，其中6个全/未腐蚀，36个局部腐蚀。然后对腐蚀舱盖的真实腐蚀外形与壳厚分布测量，最后在均布外压下对其进行压溃试验，分析其屈曲载荷和破坏模式，并与数值结果对比。此外，对腐蚀位置、腐蚀深度、腐蚀范围与舱盖屈曲特性之间的关系进行深入探讨。并且将试验结果与现有的典型屈曲预测公式进行对比，发现腐蚀缺陷舱盖的抗压屈曲载荷可用Wagner和Evkin公式预测。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究现状

1.2.1 球壳非线性屈曲研究现状

1.2.2 舱盖几何形状研究现状

1.2.3 舱盖形状缺陷研究现状

1.2.4 舱盖腐蚀缺陷研究现状

1.3 本文研究内容

第2章 球形舱盖非线性屈曲及形状参数影响规律

2.1 球形舱盖加工与检测

2.1.1 舱盖设计与加工

2.1.2 母材材料参数测试

2.1.3 壳厚与形状测量

2.2 球形舱盖抗压试验研究

2.2.1 静水压力试验

2.2.1 试验结果分析

2.2.3 试验舱盖屈曲数值分析

2.3 形状参数对舱盖屈曲影响规律分析

2.3.1 屈曲变化规律分析

2.3.2 高径比合理范围确定

2.4 本章小结

第3章 形状缺陷条件下球形舱盖非线性屈曲特性

3.1 缺陷舱盖屈曲理论研究

3.1.1 缺陷模型

3.1.2 有限元模型

3.1.3 非线性屈曲分析

3.2 缺陷舱盖屈曲试验研究

3.2.1 制作、测量与测试

3.2.2 试验结果分析

3.2.3 试验舱盖屈曲数值分析

3.3 本章小结

第4章 腐蚀缺陷条件下球形舱盖非线性屈曲特性

4.1 舱盖模型制作与测试

4.1.1 设计与制作

4.1.2 几何特性测量

4.1.3 静水压力测试

4.2 试验结果分析与讨论

4.2.1 全腐蚀舱盖屈曲特性

4.2.2 部分腐蚀舱盖屈曲特性

4.3 试验舱盖屈曲数值分析

4.3.1 舱盖数值模型

4.3.2 数值结果分析与讨论

4.4 本章小结

总结与展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间学术成果及科研项目

致谢