计及海洋参数水下滑翔机耐压壳体优化

摘要

水下滑翔机是一种新型的水下监测仪器平台,通过调节自身的浮力来实现升降运动,并利用两侧的机翼实现滑翔运动,因此具有能耗低、大航程的特点。由于其他原因造成浮力调节损失,势必会影响整个系统的浮力调节能力,使之不能精确控制滑翔机的行程运动。海水在垂直方向上的密度增加会导致耐压壳体浮力增加,而由于海水压力导致壳体压缩变形又会导致耐压壳体浮力减小,因此通过壳体的优化设计,在耐压壳体满足使用要求的前提下,控制壳体的变形量,使之和由于海水密度增加导致浮力增加量之差趋于为零,对提高滑翔机的控制精度,增加航程,具有重要的意义。本文主要研究内容及贡献如下:
　　(1)本文首先对滑翔机的结构进行了初步设计。采用有限元法,基于工程化的思想,对加强环进行了设计,使其可以满足强度条件,与壳体的密封条件和最小惯性矩条件。考虑海水的腐蚀效应,基于可靠性设计方法,对耐压壳体的壁厚进行了初步设计,使其强度条件,稳定性条件,疲劳强度条件和腐蚀条件的可靠度均大于99.97％,为优化设计提供了优化设计模型,同时也为滑翔机耐压壳体设计提供了示范作用。
　　(2)合理的对耐压壳体结构形式和加强环进行了简化,在保持应力,应变基本不变的情况下,使耐压壳体结构形式与理论计算模型相一致。使带有减重孔,纵剖面面积无法计算的加强环,简化成纵剖面面积一致的加强肋形式。推导出静浮力的计算公式。对耐压壳体的约束条件进行了简单介绍。利用特征值屈曲分析,分析了初始缺陷对耐压壳体承载能力的影响。在workbench平台上二次开发,利用Commands命令,设置相应体积变化量作为导出参数,为耐压壳体的优化提供了一种简单,高效的设计方法。
　　(3)选定了与相应体积变化量有关的九个参数,分别采用理论计算和有限元分析,对各个参数与相应体积变化量的关系做了研究,得到了相应体积变化量与九个参数的关系曲线。分别以铝合金7075T6、钛合金TA2和碳纤维材料T300/5028的耐压壳体为例,采用目标驱动优化方法,以相应体积变化量为目标函数,以强度条件、稳定性条件等为约束条件,对其结构进行了优化,使其相应体积变化量分别下降了15.88%、20.17%和10%,对提高滑翔机的性能具有重要的意义。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2耐压壳体的研究进展

1.3 本文的主要工作

第二章 基于可靠性设计方法的滑翔机耐压壳体初步设计

2.1引言

2.2 可靠性设计方法简述

2.3 耐压壳体设计变量分布和变异系数的确定

2.4 滑翔机耐压壳体初步设计

2.5 本章小结

第三章 耐压壳体优化设计方法

3.1引言

3.2优化设计理论

3.4 耐压壳体优化设计模型

3.5耐压壳体优化目标函数

3.6 耐压壳体优化约束条件

3.7 耐压壳体优化设计

3.8 最优点模型的有限元验证

3.9 本章小结

第四章 滑翔机中性壳体的结构优化

4.1 引言

4.2 耐压壳体体积变化量与各参数之间的关系

4.3 水下滑翔机铝制中性壳体结构优化

4.4 滑翔机钛制中性壳体的结构优化

4.5 碳纤维耐压壳体结构优化

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢