外压信号浮标的结构设计及可靠性分析

发布时间：2020-07-21 10:02

【摘要】： 信号浮标多用于舰艇通讯、海洋环境检测以及航标领域，由于其使用的特殊性，在保证其结构可靠性的前提下减小其重量显得愈发重要。由相关文献和国标CB767-68知，目前国内信号浮标多采用压力容器的常规方法设计，在设计时采用增大安全系数来保证结构可靠性，设计的浮标壳体有很大的裕度。本课题利用压力容器分析设计方法和基于有限元方法的结构分析和优化技术进行浮标壳体的设计，具有重要的实际应用意义。本文首先分析了信号浮标的结构，根据已知的部分参数，依据压力容器分析设计方法对浮标的基本构件进行了初始设计和校核，完成密封设计和浮标模型建立；对简化后的浮标壳体和法兰进行了有限元分析，找出壳体危险的部位并进行补强；分析了浮标壳体的承载能力，为后面壳体的优化设计和可靠性分析提供了依据。然后，根据设计要求，依据优化设计的基本原理以浮标重量最小为目标建立了浮标壳体的优化数学模型，分别运用数值迭代法和有限元法进行了优化求解。数值迭代法中分别利用了序列二次规划法、微分进化算法以及内点罚函数法进行优化求解，确定了锥体上加强圈的位置；有限元法中，建立了壳体的参数化模型，对封头和锥体的厚度为设计变量进行优化求解；综合分析两种优化结果并和初始设计做了比较分析，结果表明优化设计改善了壳体上应力集中，降低了壳体的重量。最后对优化补强后的浮标壳体进行了可靠性分析。分析了基于有限元方法进行可靠性计算的思路，建立了浮标壳体可靠性分析的APDL文件，使用蒙特卡洛拉丁超立方法进行求解，分析了壳体结构的可靠性结果和对结构强度影响较大的参数。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TH122
【图文】：

网格划分,内筒,压力作用,旋转约束

利用ANSYS的自动划分网格功能，共划分了115816个SOLID92单元。浮标壳体的有限元分网模型见图3.3。图3.3浮标壳体的网格划分 Fig.3.3GriddingPlottedofbuoy图3.4浮标壳体的约束和加载 Fig.3.4Restrietandloadedofbuoy3.3.4加载及约束条件浮标壳体的总体坐标系见图3.4，Y轴为对称轴。浮标壳体外部全部受到3MPa的压力作用。SOUD92单元有三个自由度，所以在添加约束时只考虑位移约束，不考虑旋转约束。在压力作用下浮标内筒体不发生位移上的变化，所以选取内筒体下端面一点限制XYZ三个方向上的位移;在X一Y面上，由于壳体的对称性限制垂直其的Z方向的位移;在z一Y面上，要限制垂直其的x方向的位移。施加完约束和载荷的壳体有限元模型如图 3.4所示。

加载,内筒,压力作用,旋转约束

Fig.3.4Restrietandloadedofbuoy3.3.4加载及约束条件浮标壳体的总体坐标系见图3.4，Y轴为对称轴。浮标壳体外部全部受到3MPa的压力作用。SOUD92单元有三个自由度，所以在添加约束时只考虑位移约束，不考虑旋转约束。在压力作用下浮标内筒体不发生位移上的变化，所以选取内筒体下端面一点限制XYZ三个方向上的位移;在X一Y面上，由于壳体的对称性限制垂直其的Z方向的位移;在z一Y面上，要限制垂直其的x方向的位移。施加完约束和载荷的壳体有限元模型如图 3.4所示。

云图,壳体,云图,锥体

筒连接处局部应力较大，由图可以看出，该处的局部应力约为180MPa，为拉应力;封头中部，由于变形最大，在该处也产生很大的拉应力，其值在‘62MPa左右，小于1.5!u」，所以说封头的设计厚度能满足材料的强度要求。其他部分的应力沿球面向两侧递减，在和锥体链接处增大，其值在50MPa一looMPa之间，其应力变化曲线见图3.7。由a图可以看出，锥体大端的应力是这几处局部应力中最大的，该处的总应力约为200一25OMPa。由b图可知在锥体大端，其轴向应力并不大，这是因为锥体大端受外压和封头的压力作用，会产生很大的弯曲应力，其中封头的变形使其产生的二次弯曲应力最大，但其值小于3【。」，所以说锥体大端的局部应力也能满足外压容器的应力限制。在锥体上，第二道加强圈处的应力明显减小，在第三和第四道加强圈间的应力又有所增加，然后往锥体小端递减，从应力云图还可以看出，除了大端由于变形较大受到的局部应力较大外，其余部分的应力都小于looMPa，所以浮标的锥体满足材料的强度要求，其应力变化曲线见图3.9。在下底座内表面产生了较大的压应力，其值为ZooMPa左右。。。‘。。‘。:。，八月月

【参考文献】