海底空間模擬艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例1.1海底空間模擬艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問(wèn)題隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人類不斷深入地開發(fā)海洋資源和利用海洋資源，海洋油氣資源在其中占有很大的比例。對(duì)于海洋油氣的開發(fā)和利用設(shè)備的研發(fā)，模擬這樣的一個(gè)高壓低溫的海底環(huán)境尤為重要。而模擬艙高壓高溫或者低溫的內(nèi)環(huán)境，腐蝕介質(zhì)的因素，對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，材料的選擇，提出了較高的要求。如果在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇上沒(méi)有準(zhǔn)確地進(jìn)行評(píng)估，將會(huì)帶來(lái)很多安全隱患。而在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全性的同時(shí)，也要考慮模擬艙的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。既不能過(guò)分強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)的安全性，造成材料的浪費(fèi)。也不能為了降低成本而選擇便宜的材料，降低了模擬艙的質(zhì)量。海底空間模擬艙選型海底空間模擬艙通常來(lái)說(shuō)有臥式和立式兩種，各有優(yōu)缺點(diǎn)。臥式海底空間模擬艙占地面積較大，但是相對(duì)來(lái)說(shuō)可供測(cè)試設(shè)備所使用的空間也相對(duì)較大，對(duì)于模擬情況的監(jiān)測(cè)比較方便。立式占地面積小，但是需要向地下挖較深的空間，并且監(jiān)測(cè)設(shè)備的安裝相對(duì)不方便。REF_Ref71280941\r\h[3]壓力容器和鞍座材料的選擇由于壓力容器內(nèi)部受壓較大，所以選擇的材料需要具有比較好的強(qiáng)度。又由于壓力容器的制造工藝方法，材料也需要較好的韌性和塑性。對(duì)于鞍座這種支持結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，材料的強(qiáng)度是首要考慮的因素。1.2海底空間模擬艙的初步設(shè)計(jì)方案1）項(xiàng)目概述海底模擬艙擬為大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備，模擬設(shè)備所處的海底環(huán)境，配備圖像采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、海流模擬系統(tǒng)、水文模擬系統(tǒng)等。高壓艙是個(gè)巨大的圓柱形容器，，內(nèi)設(shè)水下照明及攝像設(shè)備，能進(jìn)行各類海工設(shè)備在高壓環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)。為各類高校提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為有關(guān)企業(yè)和教學(xué)單位提供各類培訓(xùn)。海底模擬艙主要由循環(huán)管道、壓力容器、軸流泵、電氣控制、輔助系統(tǒng)、測(cè)量設(shè)備等組成，形成所需要的穩(wěn)定流速以及高壓環(huán)境。設(shè)備主體為臥式循環(huán)結(jié)構(gòu)，充滿海水，在軸流泵的推動(dòng)下循環(huán)流動(dòng)。在增壓泵的配合下，壓力達(dá)到最大值。圖3-1海底空間模擬艙概念設(shè)計(jì)圖3-2海底空間模擬艙概念設(shè)計(jì)剖面2)技術(shù)參數(shù)（1） 深海模擬艙尺寸：7.9m×5.7m×2m（長(zhǎng)×寬×高），壓力容器直徑1.2米，高1.8米。（2） 最大流速：0.4m/s（3） 高壓容器加長(zhǎng)段直徑：φ1.2m（4） 壓力艙回路直徑：φ0.51m（5） 壓力艙回路水平中心高：1115mm（6） 軸流泵：1套（7） 設(shè)計(jì)流量：1.13m3/s（8） 與電機(jī)連接方式：皮帶輪減速拖動(dòng)3)功能特點(diǎn)深海模擬艙應(yīng)用了水動(dòng)力學(xué)原理，結(jié)合現(xiàn)有大型循環(huán)水槽、空泡水筒等的設(shè)計(jì)及成功使用經(jīng)驗(yàn)，參照鋼制壓力容器設(shè)計(jì)要求等進(jìn)行設(shè)計(jì)。在國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先的高壓模擬艙技術(shù)基礎(chǔ)上，具備以下特色： （1）整個(gè)模擬艙能模擬2種環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，壓力容器進(jìn)出水封閉時(shí)進(jìn)行最大靜壓實(shí)驗(yàn)，進(jìn)出水封頭移開后接上回路法蘭進(jìn)行的水平層流實(shí)驗(yàn)；（2）整個(gè)回路的進(jìn)水段及水平段各設(shè)置了蜂窩整流器，目的是為了消除流動(dòng)中的漩渦、降低湍流度、獲得均勻平直的流動(dòng)水流；（3）四個(gè)彎頭處內(nèi)設(shè)置由圓弧形導(dǎo)流片，其作用是將水平的水流折轉(zhuǎn)90°流動(dòng)，并使水流折轉(zhuǎn)光順、穩(wěn)定、無(wú)分離；（4）實(shí)驗(yàn)水流速度可調(diào)，軸流泵的作用是驅(qū)動(dòng)水槽內(nèi)的水循環(huán)，調(diào)節(jié)軸流泵的轉(zhuǎn)速使回路獲得所需要的水速。（5）海底模擬艙配備一系列測(cè)控設(shè)備，能夠采集艙內(nèi)鹽度、溫度、壓力等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可以滿足科研實(shí)驗(yàn)量測(cè)需要，大幅提升模擬艙的科研用途；4)配置情況表3-1海底空間模擬艙概念設(shè)計(jì)配置組件/模塊數(shù)量/套規(guī)格備注設(shè)備主體框架結(jié)構(gòu)1海底模擬艙尺寸7.9m×5.7m×1.8m（長(zhǎng)×寬×高）結(jié)構(gòu)：臥室框架，配有1.2米直徑壓力容器包括壓力容器，模擬艙回路等轉(zhuǎn)換封頭1高壓實(shí)驗(yàn)時(shí)配有專用封頭轉(zhuǎn)換軸流泵1最大流速：0.4m/s流量：1.13m3/s軌道裝置115kg/m輕軌方便調(diào)整試件輔助系統(tǒng)1包括進(jìn)水、排水系統(tǒng)測(cè)量設(shè)備1電控配件1軟件測(cè)量系統(tǒng)1用于采集艙內(nèi)鹽度、溫度、壓力等5)主要壓力容器，封頭，及鞍座設(shè)計(jì)及材料選擇圖3-3壓力容器設(shè)計(jì)圖主壓力容器采用18MnMoNbR鋼，封頭為機(jī)械啟閉裝置，這里簡(jiǎn)化為橢圓形封頭。圖3-4壓力容器鞍座設(shè)計(jì)圖圖3-4循環(huán)管道鞍座設(shè)計(jì)圖鞍座材料選用Q235-B鋼，鞍座設(shè)計(jì)參照直鞍座設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)。4海底空間模擬艙建模由于AnsysWorkbench所自帶的幾何建模模塊DesignModeler建立模型過(guò)程較為復(fù)雜，效率很低。所以使用solidworks建模后導(dǎo)入ansys進(jìn)行有限元分析。4.1SolidWorks建模概述Solidworks是solidworks公司在總結(jié)和繼承了大量機(jī)械CAD軟件的基礎(chǔ)上而推出的，它吸取了大量的其它機(jī)械三維設(shè)計(jì)軟件軟件的優(yōu)勢(shì)。REF_Ref71460755\r\h[10]能夠進(jìn)行建模的領(lǐng)域非常廣泛，包括工程機(jī)械行業(yè)，醫(yī)療器械行業(yè)，運(yùn)動(dòng)器材行業(yè)，衛(wèi)浴行業(yè)等。界面友好易用，能對(duì)設(shè)計(jì)意圖進(jìn)行捕捉并且引導(dǎo)設(shè)計(jì)修改。Solidworks有自頂向下和自底向上兩種建模思路。自底向上是較為常用的方法，先設(shè)計(jì)各個(gè)零件，再按照?qǐng)D紙?jiān)谙鄳?yīng)位置進(jìn)行裝配。設(shè)計(jì)的過(guò)程中可以隨時(shí)對(duì)零件的參數(shù)進(jìn)行更改，可以實(shí)時(shí)更新到裝配體上。自頂向下是先設(shè)計(jì)整體裝配圖，再進(jìn)行零件的分割和修改，零件的特征是由裝配體中目個(gè)定義確定的，整個(gè)設(shè)計(jì)都來(lái)自于頂部（裝配體），這比較符合一般的設(shè)計(jì)思維，尤其在在設(shè)計(jì)的初期階段，設(shè)計(jì)中的零部件特性不明顯，可以更好的把握整體情況。REF_Ref71463336\r\h[11]4.2主壓力容器、循環(huán)管道和鞍座建模圖4-1壓力容器和循環(huán)管道建模圖圖4-2循環(huán)管道鞍座建模圖圖4-3壓力容器鞍座建模圖圖4-4海底空間模擬艙建模裝配圖從圖3-1、3-2可以看出，模擬艙結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不僅外部有較多支撐結(jié)構(gòu)，內(nèi)部更有導(dǎo)流片等設(shè)備，而這些結(jié)構(gòu)在受力分析過(guò)程并不會(huì)對(duì)總體剛度造成影響，但是這些結(jié)構(gòu)的存在往往加大了很多的計(jì)算量，延長(zhǎng)了計(jì)算時(shí)間，所以在將模擬艙的三維模型導(dǎo)入AnsysWorkbench分析之前需要對(duì)復(fù)雜且對(duì)分析結(jié)果影響很小的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行簡(jiǎn)化。對(duì)所求結(jié)果影響很小的結(jié)構(gòu)和受力，作集中處理，或者直接刪除.結(jié)果影響較大且結(jié)構(gòu)不易簡(jiǎn)化，受力較復(fù)雜的也要進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化。REF_Ref7