劉晨，張誼軍

（昆明船舶設(shè)備研究試驗中心，云南 昆明 650051）

水下機器人通常需要在水下幾十米至數(shù)百米的環(huán)境下作業(yè)，環(huán)境極其苛刻，需要其外殼具備較高的強度以抵抗水壓的作用，保護內(nèi)部電子元器件不被損壞。為驗證水下機器人的耐壓性能，需根據(jù)其工作條件設(shè)計壓力容器，將水下機器人安裝在壓力容器內(nèi)部，對容器中水進行加壓以模擬機器人工作時的高壓工作環(huán)境，檢測機器人外殼的耐壓性能是否符合要求。

本文基于國標GB150-2011 中關(guān)于壓力容器的規(guī)定，完成壓力容器的各項參數(shù)的計算取值。利用ANSYS 有限元仿真軟件對其進行校核，對該壓力容器工作狀態(tài)下的應(yīng)力及變形情況進行分析，判斷其結(jié)構(gòu)強度及O 形圈的密封效果是否符合要求。

1 壓力容器參數(shù)化設(shè)計

對水下機器人的的實際工況進行分析，根據(jù)要求完成壓力容器的初步設(shè)計，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 壓力容器三維模型

該壓力容器主要由兩部分組成：壓力艙和平蓋，兩個部件通過螺栓連接，平蓋擠壓壓力艙端面上的O 形圈完成密封。

由于采用水作為介質(zhì)進行加壓維持壓力艙內(nèi)壓力處于預(yù)定值，壓力容器需經(jīng)常浸泡在水環(huán)境中，容易腐蝕生銹，會對密封結(jié)構(gòu)造成破壞，且存在安全隱患，因此采用不銹鋼完成該壓力容器的設(shè)計和制造。

平蓋所承受的應(yīng)力較大，工作時容易產(chǎn)生較大變形導(dǎo)致O 形圈密封失效，因此平蓋需采用高強度不銹鋼材料。20Cr13 是一種常用的高強度馬氏體不銹鋼材料，具有高抗蝕性、高強度、高韌性和較強抗氧化性，被廣泛應(yīng)用于制造各種承受高應(yīng)力的零件?；?0Cr13 的優(yōu)良性能，選用該材料用于平蓋的設(shè)計和制造。與平蓋相比較，壓力艙承受應(yīng)力相對較小，選用304 不銹鋼用于壓力艙的設(shè)計和制造。

基于國標GB150-2011 關(guān)于壓力容器的規(guī)定，對壓力容器各部分的參數(shù)進行計算如下：

（1）殼體厚度計算：

圓筒厚度計算公式如下：

式中，δ為圓筒殼體計算厚度（mm），cP為計算壓力（MPa），iD為圓筒內(nèi)直徑（mm），[ ]t σ為殼體材料的許用應(yīng)力（MPa），φ為焊接接頭系數(shù)。

選用不銹鋼304 作為壓力艙的制造材料，最大設(shè)計壓力取6MPa，圓筒內(nèi)直徑300mm，焊接接頭系數(shù)取0.8。不考慮腐蝕余量及材料加工偏差，根據(jù)上述公式，可計算得到圓筒殼體最小厚度為8.4mm。

（2）球殼厚度計算：

球殼厚度計算公式如下：

式中，fδ為球殼封頭厚度（mm），[ ]t σ為球殼封頭材料的許用應(yīng)力(MPa)。

根據(jù)上述公式，不考慮腐蝕余量及材料加工偏差，可計算得到球殼最小厚度為4.2mm。

（3）平蓋厚度計算：

圓形平蓋厚度計算公式如下：

式中，gδ為平蓋厚度（mm），cD為平蓋計算直徑（mm），K 為結(jié)構(gòu)特征系數(shù)，dP為平蓋上所承受的最大等效壓力，[σ]t為平蓋材料的許用應(yīng)力（MPa）。根據(jù)上述公式，可計算得平蓋的計算厚度為42mm。

基于上述計算結(jié)果，初步設(shè)計壓力容器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1。

表1 壓力容器設(shè)計參數(shù)表

2 有限元仿真分析

為進一步驗證計算所得參數(shù)是否滿足使用要求，本文采用數(shù)值仿真的方法建立有限元仿真模型，對壓力容器工作過程中的結(jié)構(gòu)強度和變形程度展開進一步研究，判斷基于計算所得參數(shù)所設(shè)計的壓力容器是否滿足強度及密封性能的要求。

ANSYS 常被用于結(jié)構(gòu)強度計算，被廣泛應(yīng)用于機械、電子、土木、航空航天等領(lǐng)域，且該軟件也常被用于壓力容器相關(guān)領(lǐng)域的仿真模擬。張祥華利用ANSYS 對壓力容器的結(jié)構(gòu)強度進行校核和優(yōu)化設(shè)計，在保證強度符合要求的條件下節(jié)省了材料。孟利宇利用ANSYS 建立某分離器高壓容器的有限元模型，對其在高壓工作環(huán)境下的應(yīng)力分布進行分析，以此為基礎(chǔ)對設(shè)計參數(shù)進行進一步優(yōu)化。韓豫利用ANSYS 有限元軟件對容器的圓筒、封頭和接管區(qū)域的整體變形規(guī)律進行分析，并與試驗結(jié)果相比較，兩者的結(jié)果基本一致，證明了采用有限元分析方法對壓力容器的強度及變形進行分析的可行性。因此，本文借助ANSYS 完成壓力容器的強度校核及密封性能分析。

2.1 壓力容器仿真模型的建立

運用ANSYS 進行壓力容器設(shè)計及仿真分析的一般流程如圖2。

圖2 ANSYS 有限元仿真流程

首先，根據(jù)計算所得參數(shù)完成壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，將其導(dǎo)入ANSYS 中進行計算求解，根據(jù)求解得到的應(yīng)力、變形云圖對結(jié)構(gòu)強度和O 形圈變形量進行分析，若所得結(jié)果不符合要求，則基于有限元仿真結(jié)果對設(shè)計參數(shù)進行進一步優(yōu)化。

2.1.1 模型簡化

為減小計算量，需在計算前對模型進行簡化，去除部分對結(jié)構(gòu)強度和剛度影響較小的結(jié)構(gòu)。如去除對求解結(jié)果影響較小的倒角、圓角、孔等特征；去除連接件、管接頭等配件，僅考慮壓力艙與平蓋。根據(jù)壓力容器各部件所選用的材料在ANSYS 中設(shè)置材料參數(shù)如表2 所示。

表2 材料屬性設(shè)置

2.1.2 網(wǎng)格劃分

四面體網(wǎng)格劃分方法常被用于結(jié)構(gòu)分析，且該仿真模型形狀相對規(guī)則，故采用四面體網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分。由于該壓力容器尺寸較大，單元尺寸較小會導(dǎo)致計算時間過長，為縮減求解時間設(shè)置網(wǎng)格單元大小為6mm，對平蓋和壓力艙連接部位進行局部網(wǎng)格細化，控制網(wǎng)格單元尺寸為3mm，可得網(wǎng)格劃分的結(jié)果如圖3 所示。

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.1.3 定義接觸方式

為模擬平蓋和壓力艙的螺栓連接，定義螺栓連接處面的接觸方式為綁定接觸，平蓋和壓力艙端面的連接方式為摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.15。

2.1.4 邊界條件設(shè)置

該壓力容器的最大設(shè)計工作壓力為6MPa，為模擬壓力艙和平蓋的載荷分布，向壓力艙內(nèi)壁施加6MPa的壓力，由于平蓋中心處留有通孔，在對平蓋添加載荷時，需根據(jù)圓孔的面積計算等效載荷并施加在平蓋上。

2.2 求解

2.2.1 密封性能分析

經(jīng)過求解計算，可得壓力容器軸線方向上的變形云圖如圖4 所示。

圖4 壓力容器變形云圖

由圖4 可知，平蓋在受壓狀態(tài)下會產(chǎn)生較大的變形，且呈現(xiàn)由外到里變形量逐漸增大的趨勢，最大變形位于平蓋中心處，最大變形量為0.2774mm。

對于壓力艙與平蓋之間的靜密封而言，O 形圈的壓縮量對靜密封效果影響較大。O 形圈的壓縮量在15% ～25%，可以取得較為可靠的密封效果?；趫D4變形云圖可得，壓力艙與平蓋O 形圈溝槽處兩者的相對變形量為0.13mm，根據(jù)相對變形量計算O 形圈壓縮量如下式：

式中，x為O 形圈壓縮量（mm），r為O 形圈線徑（mm），h為溝槽深度（mm），Δh平蓋和壓力艙溝槽處的相對變形量（mm）。

基于數(shù)值仿真的結(jié)果及O 形圈壓縮量計算公式可得，在該工況下O 形圈的壓縮量為17.5%，滿足O 形圈的密封要求。

2.2.2 結(jié)構(gòu)強度校核

由ANSYS 仿真結(jié)果可得壓力容器應(yīng)力分布云圖，如圖5、圖6 所示。

圖6 壓力容器應(yīng)力分布云圖

由上圖可知，對于壓力艙而言，最大應(yīng)力位置為法蘭與罐體連接過渡處，最大應(yīng)力值為150MPa，小于材料的屈服強度。平蓋應(yīng)力分布呈現(xiàn)從四周到中心逐漸增大的趨勢，最大應(yīng)力位置為中心圓孔周圍，最大應(yīng)力值為100MPa，兩者的應(yīng)力均小于材料的屈服強度，由此可知，該壓力容器結(jié)構(gòu)強度符合要求。

3 結(jié)語

本文基于壓力容器的實際工況對其進行參數(shù)計算，并根據(jù)計算所得結(jié)果對壓力容器進行參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。為進一步探究計算參數(shù)的可行性，利用ANSYS 軟件對該壓力容器進行有限元仿真分析。結(jié)果表明，在6MPa 的液壓環(huán)境下，該壓力容器壓力艙和平蓋的最大應(yīng)力均小于材料的屈服強度，結(jié)構(gòu)強度符合要求，且O 形圈壓縮量處于規(guī)定范圍內(nèi)，可實現(xiàn)較好的密封效果。