一种潜水器圆柱壳无模自由胀形数值计算方法

摘要

本发明公开了一种潜水器圆柱壳无模自由胀形数值计算方法，步骤：建立圆柱壳母线几何模型；建立圆柱壳母线网格单元模型；定义圆柱壳母材的弹塑性材料参数；定义圆柱壳单元模型截面参数；定义圆柱壳单元模型最大胀形载荷和等效边界条件；采用牛顿迭代法进行非线性求解计算；提取圆柱壳无模自由胀形参数随着胀形量的变化历程。本发明解决了现有技术存在的问题和缺陷，为潜水器圆柱壳无模自由胀形工艺参数设计和优化提供理论工具。

说明书

技术领域

本发明属于板壳塑性加工技术领域，特别涉及了圆柱壳无模自由胀形工艺。

背景技术

潜水器是大洋勘查开发的重要装备，耐压壳是潜水器关键部件和浮力单元，在潜水器下潜过程中耐压壳可以确保内部设备不被破坏以及工作人员的安全，同时提供正浮力。圆柱壳是耐压壳的基础承压单元，具有空间利用率高、水动力学特性好、设计计算方便等优点。

然而，圆柱壳极限承载能力对初始几何缺陷非常敏感，导致安全性下降。通过对圆柱壳施加内压，进行圆柱壳无模自由胀形，可以消除过大初始几何缺陷、增加材料屈服强度、平衡壳体各处力学性能，进而提高圆柱壳的极限承载能力，提高壳体安全性，同时也增大了内部空间。但是，业界仍然缺乏有关圆柱壳无模自由胀形工艺的计算分析手段。

发明内容

为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种潜水器圆柱壳无模自由胀形数值计算方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种潜水器圆柱壳无模自由胀形数值计算方法，包括以下步骤：

(1)建立圆柱壳母线几何模型；

(2)建立圆柱壳母线网格单元模型；

(3)定义圆柱壳母材的弹塑性材料参数；

(4)定义圆柱壳单元模型截面参数；

(5)定义圆柱壳单元模型最大胀形载荷和等效边界条件；

(6)采用牛顿迭代法进行非线性求解计算；

(7)提取圆柱壳无模自由胀形参数随着胀形量的变化历程。

进一步地，在步骤(1)中，采用一维轴对称直线进行建模，直线两个端点的坐标分别为(r

进一步地，在步骤(2)中，建立圆柱壳母线网格单元模型，选取单元类型为线性轴对称壳单元，网格的数量为奇数；经过网格收敛性分析确定网格尺寸小于圆柱壳高度2l与圆柱壳外圆半径r

进一步地，在步骤(3)中，所述弹塑性材料参数包括弹性材料参数和塑性材料参数，所述弹性材料参数包括母材的弹性模量和泊松比，所述塑性材料参数包括母材的屈服强度和强度系数；所述弹性材料参数和塑性材料参数由标准试样的单轴拉伸试验测得。

进一步地，在步骤(4)中，将圆柱壳单元中面设为圆柱壳的外表面，圆柱壳单元厚度设为初始厚度，并把步骤(3)中确定的弹塑性材料参数赋予圆柱壳单元。

进一步地，在步骤(5)中，在圆柱壳内表面定义最大胀形载荷p，对圆柱壳一端固定所有自由度，对圆柱壳另一端释放轴向移动自由度，约束其它自由度，并施加轴向等效载荷

进一步地，在步骤(6)中，初始载荷增量小于最大胀形载荷的千分之一，最大载荷增量不大于最大胀形载荷的百分之二，最小载荷增量小于最大胀形载荷的万分之一，最大允许增量步数至少为5000。

进一步地，在步骤(7)中，所述圆柱壳无模自由胀形参数包括高度、厚度、应力、应变和胀形压力。

进一步地，提取圆柱壳上端点垂直位移随着胀形量变化历程，即高度-胀形量曲线；提取圆柱壳中点厚度随着胀形量变化历程，即厚度-胀形量曲线；提取圆柱壳中点等效应变、等效应力随着胀形量变化历程，即等效应变-胀形量曲线、等效应力-胀形量曲线；提取圆柱壳中点水平位移随着胀形压力变化历程，即胀形压力-胀形量曲线。

进一步地，在步骤(7)中，提取不同胀形压力下各参数随着胀形量的变化历程。

采用上述技术方案带来的有益效果：

本发明采用轴对称壳单元模型、去掉了圆柱壳两端部圆形厚板封头，用等效轴向载荷与等效边界条件代替，避免了圆形厚板直接建模时板壳厚度差值太大导致的边界不连续问题，使得计算容易收敛，同时降低了数值模型的有效自由度，提高计算效率和精度，为潜水器圆柱壳无模自由胀形工艺参数设计和优化提供理论工具。

附图说明

图1为本发明的整体流程图；

图2为本发明的圆柱壳无模自由胀形结构示意图；

图3为本发明的圆柱壳母线几何模型示意图；

图4为本发明的圆柱壳母线网格单元模型示意图；

图5为本发明的圆柱壳母线等效边界条件示意图；

图6为本发明的圆柱壳无模自由胀形高度2l与胀形量h关系图；

图7为本发明的圆柱壳无模自由胀形压力p与胀形量h关系图；

图8为本发明的圆柱壳无模自由胀形中点应变ε与胀形量h关系图；

图9为本发明的圆柱壳无模自由胀形中点应力σ与胀形量h关系图；

图10为本发明的圆柱壳无模自由胀形中点厚度t与胀形量h关系图；

图11为本发明的圆柱壳无模自由胀形加压原理图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

根据图1所示的圆柱壳无模自由胀形数值计算方法流程图，对本发明作进一步的详细阐述。实施例的圆柱壳的尺寸参数如表1所示，壳体胀形结构如图2所示，壳体材料为不锈钢，其材料参数如表2所示。具体实施过程采用通用商业计算机辅助工程(CAE)软件ABAQUS进行实现，并通过三个实物柱壳的胀形试验，验证数值方法的正确性。

表1圆柱壳公称尺寸

表2三个标准不锈钢材料试样的弹塑性参数

σ

第一步(S1)，建立圆柱壳母线几何模型，采用一维轴对称直线进行建模，直线两个端点坐标分别为(r

具体操作如下：

在商业软件ABAQUS/Part模块中，以轴对称、可变形、壳单元的类型建立柱壳高度2l为100mm、外圆半径r

第二步(S2)，建立圆柱壳母线网格单元模型，选取单元类型为线性轴对称壳单元，网格的数量必须为奇数个，以保证提取危险点的几何物理参数；且需要经过网格收敛性分析确定网格尺寸小于高度2l与半径r

具体操作如下：

在商业软件ABAQUS/Mesh模块中，选取单元类型为2节点线性轴对称薄壳/厚壳单元(SAX1)，对第一步中确定的母线进行网格划分，最终确定100个网格、101个节点。如图4所示。

第三步(S3)，定义圆柱壳母材的弹塑性材料参数，其具体弹塑性材料参数根据ISO6892-1标准的单轴拉伸试验测得，包括弹性模量、泊松比、屈曲强度、硬化参数等。

具体操作如下：

在商业软件ABAQUS/Property模块，输入不锈钢母材的弹性参数，其中杨氏模量为206GPa，泊松比为0.28。塑性参数则根据塑性方程(1-1)求解出的母材应力σ

σ

第四步(S4)，定义圆柱壳单元模型截面参数，将壳单元中面设为圆柱壳的外表面，壳单元厚度设为初始厚度(t

具体操作如下：

在商业软件ABAQUS/Property模块，建立连续、均匀壳截面，厚度设为0.9mm，厚度方向选取5个积分点，选取第三步中确定的材料参数，选取第二步中确定的单元模型，将壳单元中面设为圆柱壳外表面。

第五步(S5)，定义圆柱壳单元模型最大胀形载荷和等效边界条件，在圆柱壳内表面定义最大胀形载荷p，对圆柱壳一端固定所有自由度，对圆柱壳另一端释放轴向移动自由度，约束其它自由度，并施加轴向等效载荷，等效载荷为厚板封头所受压力

具体操作如下：

在商业软件ABAQUS/Load模块，在圆柱壳内内表面定义最大胀形载荷p＝20Mpa，在圆柱壳单元模型下端定位自由度：U1＝U2＝UR3＝0；上端定义自由度：U1＝UR3＝0，同时施加等效载荷

第六步(S6)，采用牛顿迭代法进行非线性求解计算，初始载荷增量小于最大胀形载荷的千分之一，最大载荷增量不高于最大胀形载荷的百分之二，最小载荷增量小于最大胀形载荷的万分之一，最大允许增量步数至少5000步。

具体操作如下：

在商业软件ABAQUS/Step模块，定义静态、通用隐式分析步，启动非线性选项，初始载荷增量设为0.002，最大载荷增量设为0.02，最小载荷增量设为10

第七步(S7)，提取不同胀形压力下的圆柱壳无模自由胀形参数，具体包括：长度、厚度、应力、应变、胀形压力随着胀形量参数变化规律。

具体操作如下：

在商业软件ABAQUS/Visualization模块，提取圆柱壳上端点垂直位移随着胀形量变化历程，即高度-胀形量曲线，如图6所示。

在商业软件ABAQUS/Visualization模块，提取圆柱壳中点水平位移随着胀形压力变化历程，即胀形压力-胀形量曲线，如图7所示。

在商业软件ABAQUS/Visualization模块，提取圆柱壳中点等效应变、等效应力随着胀形量变化历程，即等效应变-胀形量曲线(图8)、等效应力-胀形量曲线(图9)。

在商业软件ABAQUS/Visualization模块，提取圆柱壳中点厚度随着胀形量变化历程，即厚度-胀形量曲线，如图10所示。

为了验证上述数值计算方法的正确性，根据表1参数，加工了三个不锈钢圆柱壳，如图11所示，分别施加8.5MPa、10.5MPa、12MPa的胀形压力。采用三维扫描仪测得三种胀形压力下的胀形量和高度数据，分别如图6和7所示；采用无损测厚仪测得三种胀形压力下的壁厚数据，如图10所示。由图6、7、10可知，数值结果和试验结果具有良好的一致性，证明了本发明方法的正确性。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。