基于非均匀加肋理论的耐压壳优化设计
环肋圆柱壳是潜水器耐压壳较常采用的形式，选择适宜的材料和适当的形式能满足结构强度和稳定性的要求，而且有利于总布置。对于大多数环肋圆柱耐压壳，强度要求比较容易满足，但是为了满足结构稳定性要求，常常需要使壳板的厚度较大，这导致结构的强度的利用率较低，成本也比较高。因此，从耐压壳的自身结构入手，提高其稳定性变得尤为重要。目前，大多数外压圆柱壳的肋骨沿圆柱壳轴线方向是等距等刚度分布的。然而，多数情况下环肋圆柱壳失稳时纵向呈现一个半波，即舱段中央处的径向失稳位移最大，从舱段总体稳定性考虑，应使径向失稳位移大的肋位得到更好的加强，这样材料可以得到充分合理的利用。基于这种思想，本文从环肋圆柱壳的本身肋骨布置形式入手，采用刚度非均匀环肋的形式加强耐压圆柱壳。根据失稳时径向位移来确定肋骨的刚度，采用未作修正的理论临界压力衡量其稳定性。在几个算例原有的形式上进行肋骨的改变，通过公式计算和有限元分析研究其稳定性和重量的变化，得到了在总的肋骨刚度相同的情况下，非均匀加肋耐压壳的临界失稳压力大于均匀环肋耐压壳的临界失稳压力。此外对肋骨的侧向失稳的特点及加强措施进行初步探讨，并采用APDL语言对ANSYS进行二次开发，定制肋骨侧向稳定性校核的图形用户界面。
基于以上理论及相关研究，本文对某潜深2000米潜水器电池舱进行非均匀加肋设计。首先根据电池的体积进行初步设计。在此初步设计方案的基础上，进行实验设计，对肋骨数目，壳板厚度，肋骨截面的宽和高四个因子进行敏度分析，选择对耐压舱的失稳临界压力和重量影响较大的因子作为优化设计的设计变量。在优化设计中，以最小化耐压壳重量为目标，满足强度和稳定性要求为约束对耐压舱进行优化。实验设计及优化都是通过iSIGHT集成ANSYS实现的，分别采用优化拉丁方采样法及多岛遗传算法得到了满意的结果。基于此优化设计方案，对耐压壳进行非均匀加肋设计，非均匀加肋后的电池舱稳定性得到了很大提高，且强度利用率也有待提高，因此将非均匀加肋圆柱壳板厚减轻1mm，校核其强度及稳定性均满足要求，并确定最终设计方案。
非均匀加肋耐压壳;稳定性;优化设计;有限元分析;潜水器
哈尔滨工程大学
硕士
船舶与海洋结构物设计制造
徐玉如
2012
中文
U674.941
83
2013-04-26（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）