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耐压壳体有限元分析及结构优化

发布于:2018-03-07 20:09
有限元分析

       耐压壳是ROV的重要组成部分,耐压壳有足够的强度和稳定特性才能保证ROV的作业深度、保证ROV所携带的电子设备和传感器的正常工作,是关系到ROV能否承受深海高压和保证其总体性能的首要条件,有限元分析研究的是保证其有足够的强度、稳定性和尽可能小的重量。
       在设计ROV时,根据使用要求规定了它的工作深度和极限深度。在设计计算耐压壳体时,考虑了一定的强度储备,采用比极限深度更大的计算深度作为计算依据。下潜到计算深度会引起耐压壳体的破坏。相应于计算深度下的静水压力称为计算载荷。计算深度与工作深度之比称为安全系数,通常该系数取为1.25-1.5,但这同时也增加了其重量。本研究基于Ansys Workbench对某在研ROV的耐压壳体进行了有限元分析及尺寸优化设计,以减小耐压壳质量,降低成本。
       大多数ROV的耐压壳体为球型和圆筒型,耐压壳是在潜水压力的环境中,属于压力容器,耐压壳结构强度及力学分析主要包括压力作用下耐压壳体的强度和耐压壳体的稳定性,其受力破坏形式主要为强度破坏和屈曲失稳。
       该ROV为近海观察型ROV,最大潜深200m,耐压壳采用圆筒型结构,圆筒长度L=330mm,直径D=125mm,筒壁厚h=10mm,壳体材料选用硬质铝合金(2A12)。材料为各向同性、介质均匀,仪器插座板与耐压壳体连为一体。计算压力值P=2x1.5=3MPa(安全系数取1.5)。
       运用Pro/EApp对耐压壳体进行三维建模。为了保证计算结果的正确性,在建模过程中尽量保持和原始结构一致;根据分析问题的需要,考虑零件在总装配中的重要程度、几何特征与分析问题的着重点的相关程度、几何特征尺寸与平均网格尺寸的对比等因素,简化对于分析没有必要的模型细节。
       利用Ansys workbench的前处理模块进行单元格划分,采用自动划分网格法,依据要划分的几何体形状生成四面体或六面体网格,单元边长设置为15mm。划分后耐压壳体的节点总数为56950,单元总数为31438。
       耐压壳体在潜水压力的环境下承受静水压力载荷,在200m潜深情况下计算压力载荷约为3MPa,压力载荷施加于壳体的外表面,耐压壳体通过仪器插座板与两条钢带固定于ROV载体上,可近似认为在仪器插座板两个侧而施加固定约束。
       Pro/E与Ansys workbench是无缝连接的,将在Pro/E环境下建立的耐压壳体模型导入Ansys workbench环境中,并根据上述分析模拟加载后得到应力与位移分布云图,由图看出,耐压壳体在承受外载荷3MPa的条件下,最大位移为0.27mm,最大应力为171.3MPa,故强度满足要求。


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