基于疲劳寿命的深海载人潜水器耐压壳结构优化研究

发布时间：2020-11-03 14:28

　　 载人潜水器服役期间承受着不断变化的循环载荷,相应的疲劳破坏模式是载人潜水器耐压壳面临的主要威胁。就目前的大多数研究来看,人们在做耐压壳结构优化的研究时,往往只考虑了强度和稳定性的校核,忽略大深度载人潜水器在下潜工作过程中会承受循环载荷而引起的疲劳破坏。本文研究如何把载人潜水器耐压壳的疲劳寿命也作为约束条件,以结构净体积最小为目标进行优化。具体的研究工作如下。确定耐压球壳的初始设计参数。对耐压球壳进行强度校核;基于线弹性断裂力学理论计算球壳表面裂纹的应力强度因子;采用单一曲线模型预报深潜器耐压球壳在极限下潜工况下和随机下潜工况下的疲劳寿命。结果表明:两种工况下的耐压球壳疲劳寿命都满足设计要求,并且两种工况下副观察窗的疲劳寿命都低于主观察窗。采用Matlab自编程方式分别构建标准粒子群算法、惯性权重改进的粒子群算法和学习因子改进的粒子群算法程序,选取测试函数对比验证自编算法程序的准确性、可靠性、收敛性和鲁棒性等。结果表明学习因子改进的粒子群算法在求解大多数函数最优值问题时效果较优;针对三维有约束优化问题,研究相关控制参数对算法性能的影响,给出合理的控制参数值,为耐压球壳观察窗窗座的优化问题提供参考。对耐压球壳各观察窗窗座参数化建模,有限元计算不同参数组合的窗座疲劳寿命;选取窗座上底半径、下底半径、高度为设计变量,结构净体积为目标函数,分别以极限下潜工况下的疲劳寿命和随机下潜工况下的疲劳寿命为约束条件,基于结构优化原理,寻求满足疲劳寿命要求且体积最小的设计尺寸。优化结果表明:极限下潜工况下,耐压球壳的主观察窗窗座和副观察窗窗座体积分别减少了14.19%、8.29%;随机下潜工况下,耐压球壳的主观察窗窗座和副观察窗窗座体积分别减少了13.83%、7.09%。
【学位单位】：集美大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U674.941
【部分图文】：

in”号建成之初认证下潜深度为 1829 米，1976 年经过大修后提获得 4500 米下潜深度认证，至今已完成约 5000 多次下潜，为出的贡献。除此之外，世界上已投入使用的 4500 米以上的载5 年建成的 Nautile 号，下潜深度 6000 米；前苏联 1987 年建成潜深度 6000 米；日本 1989 年建成的“深海 6500”号，下潜交付海军使用的 RUS 号和 CONSUL 号。大深度载人潜水器也进行了大量研究，其中的代表成果有载人士”号等等。“蛟龙号”载人潜水器长 8.2 米、宽 3.0 米、高 3.4最大下潜深度为 7000 米，工作范围可覆盖全球海洋区域的 9 6 月至 7 月所进行的 7000 级海试中达到了 7062 米的下潜深度持了 23 年的记录，创造了中国载人深潜器的记录。2018 年我号载人深潜器突破了总体设计与优化、大厚度钛合金载人舱设、大深度浮力材料等一系列关键技术，已经正式投入试验性应时，中国自主研制的万米载人潜水器也取得了重大进展，计往全球海洋最深处——马里亚纳海沟进行海试。

第 2 章 理论基础与壳体通过焊接形式相连，不可避构不连续，这些区域更易于形成应究带有初始微观裂纹的耐压球壳的命。本章给出线弹性断裂力学和疲理论类置是不固定的，根据裂纹的几何特穿透裂纹（也称贯穿裂纹），如图

图 2-2 裂纹的扩展方式型裂纹（Opening Mode）为Ⅰ型裂纹，指在与裂纹面正交的拉应力作用其正交的张开位移，如图 2-2（a）所示。该种裂纹断裂被认为是最危险型裂纹（Sliding Mode）为Ⅱ型裂纹，指裂纹受到平行于裂纹表面且垂直力，裂纹在该力作用下沿着与原裂纹成某一角度的方向扩展，如图 2-2（纹（Anti-plane Shear Mode）为Ⅲ型裂纹，指裂纹受到平行于裂纹表面和，使其在原裂纹方向产生平面位移，如图 2-2（c）所示。工程应用中的多数裂纹可能是两种及其以上的基本裂纹组成的复合型裂纹是低应力断裂的主要原因，相对其他两种类型更常见且危险，所以当裂纹时，设计者往往将其视作张开型来处理[1]。纹尖端应力场和位移场
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