大型水下機器人的去流段艙體強度和剛度分析
水下機器人去流艙段的概述
某大型水下機器人運載艙體最大直徑為Φ1.2m，除承受殼體內部各種設備載荷的重量外，主要承受200m外部水壓的均布載荷。該運載艙體的去流段殼體線形為樣條曲線，且其上開設了各種孔座，所以其受力情況相當複雜，採用傳統的計算公式不易計算，只能採用有限元軟體對其進行仿真計算。另外，在去流段艉部還有一個密封艉端蓋，艉端蓋上也開設了一些過纜密封孔，對艉端蓋進行適當簡化可以先採用傳統的計算公式計算，然後再藉助有限元軟體進行校核。
去流段去流段艙體由去流殼體、內部加強筋、各類孔座和艉端蓋組成，如圖1、圖2所示。運載艙體被視作一個密閉的空間，承受最大200m水深壓力，其計算載荷=2.4MPa。根據以往的工程經驗，初步取殼體壁厚δ=13mm，艉端蓋壁厚t=13mm，通過下面的理論計算和仿真分析來確定其壁厚。
圖1艉端蓋設計計算
球形艉端蓋厚度計算
去流段形艉端蓋選用5A06鋁合金材料，該材料的屈服強度=170MPa，彈性模數 E=7×104MPa。球形艉端蓋殼體中面半徑R=1193.5mm，球形艉端蓋的厚度t根據下式計算：
去流段將相關參數代入式(1)計算得t≥8.4mm，根據設計、加工及方案階段試驗情況取t=13mm。
圖2球形艉端蓋穩定性校核
殼體承受均勻外壓時，可以保持其球形受到均勻壓縮，如果壓力超過某一極限值，受壓殼體的球形平衡狀態將變得不穩定，從而導致球殼失穩（壓壞）。對於球形艉端蓋殼體，在球殼滿足材料均勻、各向同性、有完善幾何球形、無初始應力及應力應變關係為線性的條件下，根據卡門—錢學森公式推導出球殼失穩破壞壓力為：
去流段
去流段將相關參數代入式(2)計算可得艉端蓋的失穩破壞壓力為：=3.52MPa。
去流段由上述結果可看出，計算載荷小於艉端蓋失穩破壞壓力，因此艉端蓋在工作壓力條件下不會出現失穩現象，設計滿足作業要求。
有限元分析計算
圖3和圖4
圖5和圖6艉端蓋有限元分析用ANSYS軟體對去流段艉端蓋進行仿真分析計算，結果如圖3 、圖4所示。 由圖3可以看出，除個別應力集中點外（該集中應力在實際結構中會重新分布），艉端蓋應力均小於材料的屈服極限，強度滿足要求。去流段殼體有限元分析採用ANSYS有限元軟體對去流段密封殼體進行仿真分析計算，結果如圖5、圖6所示。由圖5可以看出，除個別應力集中點外（該集中應力在實際結構中會重新分布），殼體的整體安全係數大於3，滿足耐壓殼體強度設計要求。從圖6可以看出，殼體整體失穩安全係數Load Multipiler=6.6658>3，滿足耐壓殼體穩定性設計要求。 去流段艙體外形為樣條曲線，線形複雜，採用傳統的公式不易計算其強度和剛度；艉端蓋為常規的外形，可以採用經典公式進行設計計算。本論文在利用經典公式設計計算的基礎上，同時藉助有限元軟體對去流段艙體進行計算校核。仿真計算結果與經典計算結果具有一致性，具有一定的工程實際意義。
