大深度潜水器耐压壳体结构响应分析与优化设计

摘要

本文通过理论分析和数值计算对球形和藕节形大深度潜水器耐压壳体的强度和稳定性性能进行系列研究，并分析了各种参数对其力学性能的影响，参考规范编程对这两种耐压壳体进行优化设计，为球形和藕节形大深度潜水器耐压壳体的结构设计提供了依据和参考。主要内容如下：
　　 ⑴针对球形耐压壳体，考虑非线性以及初始缺陷的影响，提出了球形缺陷厚壳的非线性稳定性计算公式，其理论结果与实验结果相符，同时采用有限元方法验证了该理论公式的正确性。采用理论公式，对缺陷幅值-半径比在0.1%～0.5%之间、厚度-半径比在5%～9%之间的系列球形大深度潜水器耐压壳体进行强度和稳定性分析。参考潜艇规范，对球形大深度潜水器耐压壳体进行了优化设计。
　　 ⑵提出了一种新型的大深度潜水器耐压壳体——藕节形切弧连接耐压壳体，和传统的藕节形耐压壳体相比，它有更好的力学性能。采用有限元方法，针对缺陷幅值-半径比在0.05%～0.5%之间、厚度-半径比在5%～9%之间、球壳中心间距-半径比在1.9～2.7之间、连接角在400～650之间的三藕节切弧连接耐压壳体，进行了强度和稳定性分析。并且采用最小二乘法进行公式拟合，提出三藕节切弧连接耐压壳体非线性强度公式和稳定性公式。
　　 ⑶考虑初始缺陷和材料、几何非线性的影响，参考潜艇规范，采用外点罚函数(OPF)法的结构优化程序，研究了三藕节切弧连接耐压壳体的优化设计。在研究中，耐压壳体的厚度-半径比、球壳中心间距-半径比、连接角是设计变量，考虑强度、稳定性、以及几何约束，使得浮力因子最小。同时研究了设计变量在结构优化设计中的敏感性，以及设计变量对耐压壳体的浮力因子、强度和稳定性的影响。本文的研究结果可以为藕节形大深度潜水器耐压壳体的结构设计提供参考。