蛋形耐压封头仿生研究

发布时间：2020-04-26 05:45

【摘要】：深海潜水器工作环境恶劣、下潜时间长,须最优协调其安全性、载运能力和人机环特性,这就使耐压壳封头的强度、稳定性、储备浮力、壳内空间利用率、乘员舒适性等性能要求更高,还缺乏综合考虑这些因素的深入研究。综合现有关于耐压壳封头文献可知,扁圆椭球封头抗压能力明显优于扁长椭球封头,因此广泛应用于潜艇的耐压装备;但由于扁圆椭球封头流线型较差,需要设计扁长椭球轻外壳来减少潜艇水阻力,这将导致轻外壳和封头之间过渡空间变大,潜艇在水下工作时会携带很多海水,为此,提出了环肋扁长椭球封头,该结构具有良好的抗压能力和流线型,但设计计算难度大、壳内空间利用率低、工艺复杂、加工成本高。因此,非常有必要寻求一种最优协调安全性、水动力学和空间利用效率的无肋封头;而蛋壳满足圆顶原理,具有超强的耐压特性和流线型,是一种优异的仿生原型。蛋形耐压壳体可最优协调潜水器的安全性、快速性、空间利用率、人机环等性能,故本文从蛋形仿生学角度设计研发了一种新型扁长形无肋封头,具体研究内容和结论如下:(1)通过对鹅蛋几何特征的了解,得到鹅蛋壳长轴、短轴、蛋形系数以及蛋形轮廓函数,从而为后面的蛋形封头仿生设计提供前期理论基础。再由蛋形轮廓函数关系式得出蛋形封头仿生设计公式,并依据蛋形封头设计公式推导出封头的质量与体积公式、强度与线弹性屈曲公式、等厚与变厚设计公式。(2)通过试验法对蛋形耐压封头进行缩比模型试验验证。深入研究了304不锈钢制蛋形封头在均布外压作用下的屈曲特性。设计了一种蛋形仿生封头,采用冲压成型技术,制作了9个底部直径160mm、高121mm的试验模型;在此基础上,对各模型进行轮廓扫描、超声测厚以及静水压力测试,研究其屈曲载荷和失稳模式;根据扫描和测厚结果,对试验封头进行非线性屈曲数值分析,与试验结果吻合良好。(3)对比分析了1mm和1.5mm壁厚下蛋形封头和球形封头屈曲特性,表明蛋形封头具有良好的抗压能力,对材料塑性和形状缺陷的敏感性低。并以蝶形深海密封保护罩设计为例,对比分析了蛋形封头在实际生产应用中相对与蝶形封头以及球形封头于强度、稳定性等方面的优势,结果表明蛋形封头应力主要集中在腰部区域,应力分布均匀性相对较好,综合性能最优,是千米水深耐压封头设计的有效选择。
【图文】：

分类树,封头,折边

5图 1.1 封头分类树枝图Fig. 1.1 Classification tree of dome头为半球形封头、椭圆形封头、碟形封头、球冠形封头，示。其中，半球形封头是由半个球壳构成；椭圆形封头是半边的作用是为了保证封头的制造质量和避免筒体与封头间；碟形封头又称带折边球形封头，由三部分构成：以 Ri为渡圆弧(即折边)和高度为 h 的直边，球面半径越大，折边半，这对于加工成型有利；为了进一步降低凸形封头的高度弧部分去掉，只留下球面部分。并把它直接焊在筒体上，种封头也称为无折边球形封头。

结构图,凸形封头,结构图,锥形封头

图 1.2 凸形封头结构图Fig. 1.2 Convex dome structure符号: h————凸形封头计算厚度，mm；iD ————封头内径或与其连接的圆筒内直径，mm；iR ————封头内曲面半径，mm；ih ————凸形封头内曲面深度，mm；（2）平板形封头平板形封头是化工设备常用的一种封头，但深海耐压壳上用的较少。平板形封头的几何形状有圆形、椭圆形、长圆形、矩形和正方形等。（3）锥形封头锥形封头分带折边锥形封头和无折边锥形封头，，示意图见图 1.3 锥形封头结构图锥形封头广泛应用于许多化工设备(如蒸发器、喷雾干燥器、结晶器及沉降器等)的底盖，它的优点是便于收集与卸除这些设备中的固体物料。
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U674.941

【参考文献】