[发明专利]一种水下航行器耐压壳体自增强方法

摘要

一种水下航行器耐压壳体自增强方法，本发明涉及海洋设备技术领域；它的操作步骤如下：材料模型的选取；对传统圆柱耐压壳体结构圆柱带肋结构、圆柱无肋结构的强度进行分析；根据材料力学中对残余应力的定义，推导出在发生弹塑性变形的圆筒失去外部压力后其残余应力在壁厚方向的分布规律；推导出冲头的过盈量与弹塑性交界面半径之间的关系；得到最佳屈服半径，当承受外压值且圆筒处于全屈服状态，推导自增强处理后承压能力理论提升值，在外压的作用下，圆筒壁上在半径处所产生的轴向应力。使得水下航行器在原结构的基础上的承压能力得到极大地提高，稳定性能好，实用性更强。

主权项

1.一种水下航行器耐压壳体自增强方法，其特征在于：(1)、材料模型的选取：在自增强模型建立之前首先对材料模型进行简化，常使用的方法是变形体的模型化；选用铝合金材料，属于硬化程度较小的材料，采用理想弹塑性模型进行分析；(2)、对传统圆柱耐压壳体结构圆柱带肋结构、圆柱无肋结构的强度进行分析，进而根据圆筒结构的弹塑性应变方程得到圆筒结构在承受内压与外压的过程壳体壁厚方向上的应力分布规律以及发生弹塑性变形过程中所需要的外压；(3)、根据材料力学中对残余应力的定义，推导出在发生弹塑性变形的圆筒失去外部压力后其残余应力在壁厚方向的分布规律；(4)、利用上述步骤(2)和步骤(3)理论分析的结果，将弹塑性交界面半径与液压自增强过程处理压力运用到机械自增强方式当中，推导出冲头的过盈量与弹塑性交界面半径之间的关系，加载过程中根据理想弹塑性材料的应力和应变之间的关系得到液压自增强过程的弹塑性应力应变分布；在圆筒承受外压时，其径向位移u与弹塑性半径和外压之间的关系如下所示：(公式1)中E为圆筒的弹性模量，μ为圆筒的泊松比，k为圆筒的径比b/a；冲头承受外压时，对于冲头，由于其材质较硬，且屈服强度很高，因而在冲压过程当中其发生弹性变形而不发生塑性变形，根据弹性力学里的相关知识可以得到：(公式2)中u₁为冲头的弹性位移量，E₁为冲头的弹性模量，μ₁为冲头的泊松比，a₁为冲头最小内径，b₁为冲头的外径，k₁为冲头的径比；联立(公式1)(公式2)可以得到过盈量之间的关系式：u₁+u‑b+a₁＝0      (公式3)(5)、得到最佳屈服半径，由于内表面所产生的应力值均大于圆筒其他部位的应力值，当承受外压值p₂且圆筒处于全屈服状态，即r_p＝b时有：式中p_j为圆筒发生全塑性变形时所需要的极限外压值；此时，内表面处的残余应力的当量应力为：式中k_j＝r_p/a，k＝b/a；根据泰勒公式展开上式可得：此有式(公式7)：从而可以得到公式(公式8)：所以在圆筒的内表面上，其残余应力的当量应力为负值，当量应力的表达式当中，当圆筒达到全屈服状态时，k_j＝k，带入式当中可得：由于在时，材料将发生完全屈服，因此需要可以得到：解得k≤2.218457489...，由此可以知道，当k≤2.218457489...时，圆筒不会发生反向屈服的现象，而当k＞2.218457489...时，圆筒会发生反向屈服的现象；令即可得到当k＞2.218457489...的最佳塑性半径与径比之间的关系，如下所示：(6)、推导自增强处理后承压能力理论提升值，在外压p'₂的作用下，圆筒壁上在半径r处所产生的轴向应力为：径向应力为：环向应力为：根据米塞斯应力计算公式可以得到，在外压p₂作用下，所产生的应力为：考虑到残余应力的影响，在进行自增强处理之后由残余应力与所承受的外压所产生的总米塞斯应力为：式中：和分别为残余径向应力和残余环向应力；分别对弹性区和塑性区的应力进行计算；塑性区：当塑性区发生屈服时σ^s＝σ_s，也就是：解得：由导数概念可以得到，此式在r_p＝b时取得最大值，也就是说对于径比小于2.2184的圆筒，当在自增强处理过程中发生全部屈服时，所产生的残余应力可以最大程度的提高耐压壳体的承载能力，此屈服半径也称为最佳屈服半径，但是考虑到耐压壳体加工过程中的安全性以及使用环境的要求，一般不能达到100％全屈服，而是控制在50％～70％；弹性区：令即在上面最佳塑性区半径中得到的可以得到自增强处理之后的承压能力变为：由于在未经自增强处理的圆筒，其在时就已经发生了屈服现象，而在自增强处理之后可以看到，承压能力提高了两倍。