近日,关于泰坦号观光艇失事的消息引起了全球的关注。“泰坦”号深潜器由美国海洋之门勘探公司运营,日前在前往“泰坦尼克”号残骸游览考察途中失事,5名乘员全部遇难。有相关人员报道,此次参观“泰坦尼克”号残骸失联潜水器并未得到专业认证。
此次事故被媒体认定为潜水器“内爆”。所谓内爆,是指外部压力过大,物体或容器本身无法承受而向内发生的爆炸。内爆的案例通常包括潜水器在周围水的静水压力下被外部压碎,以及恒星因其巨大的质量而在自身重力作用下崩塌。
在下潜状态下,潜水器会承受巨大的水压,导致结构发生严重变形,这可能会影响设备的正常运行,甚至引发潜水器的安全事故。在设计潜水器和潜艇时,简单的经验公式和理论计算方法已经无法满足设计要求,因此有限元方法变得非常重要。
由于潜艇舱段的形状非常复杂,通常的CAE软件绘图功能较差。因此,我们计划使用CAD软件创建几何模型,然后将其导入到CAE软件中以建立有限元模型并进行分析和求解。
Altair公司开发的HyperWorks系列产品是解决工程优化和分析问题的一款工具。它在飞机、汽车和船舶等领域的CAE应用中扮演重要角色。在潜水器(潜艇)舱段的模拟仿真设计中,利用HyperWorks的结构分析模块OptiStruct是一个必不可少的关键阶段。
潜艇舱段有限元模型
以下是一个有关潜艇舱段有限元分析及优化的案例分享。在这个案例中,假设潜艇的耐压船体采用921A钢材制造,其弹性模量为1.96e5兆帕(MPa),泊松比为0.3。考虑到潜艇钢板存在43种不同的厚度,因此需要创建43种不同属性,并将其分配给43个部件。
在靠近艇舯部的界面处设定固定边界条件。由于艇体外表面暴露在水中,我们在外表面上施加均匀的压力载荷,其大小为3MPa。我们进行的是一个静力学分析。我们选用OptiStruct求解器进行求解。从下图可以看出,舱段的最大应力为558MPa,最大位移为12mm。
为了降低潜艇舱段中部的基座重量,我们进行了拓扑优化研究,以确定最佳材料分布。由于基座和艇体相连接,我们必须考虑艇体对基座的影响,因此我们采用了子模型技术来施加边界条件。
我们可以看到,基座的设计偏于保守,设置了过多肘板,我们对基座肘板做如图 6 所示的调整:
子模型的有限元模型以及调整后的基座结构形式
对改进后的基座进行力学分析,应力云图和位移云图可见下图。
由下表可以看到,基座重量减轻 56%,并且腹板位移、面板位移、最大应力都相应减小。
由此可见,HyperMesh是一款专门为有限元主流求解器而设计的高性能前处理软件。该软件提供了交互式建模功能和CAD/CAE软件接口,非常适合用于划分复杂结构的潜艇有限元网格。通过使用HyperWorks软件对潜艇舱段进行仿真分析,我们得到了舱段结构的强度和变形分布情况。这些分析结果较为准确地反映了潜艇所受力的情况,可以用于指导潜艇结构的设计工作。通过OptiStruct的拓扑优化,基座重量成功减轻了56%,这对潜艇设计具有重要意义。
距离“泰坦”号失事已经过去了数日,目前正在进行打捞上岸工作,最近有关潜水器“泰坦”号内爆事故的调查也逐渐展开,但由于涉及法律管辖权的争议,美国和加拿大的多个机构分别决定展开各自独立的事故调查,大家可以持续关注。