【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及深海耐壓結構設計領域,具體地，涉及一種基于仿生技術的變厚度深海蛋形耐壓結構及設計方法。
技術介紹
1、地球上海洋總面積約為3.6億平方千米，平均水深約3795米，約占地球表面積的71％，孕育了地球90％以上的生物。然而，當今人類已探索的海底只有5％，還有95％大海的海底是未知的，其中蘊藏著極其豐富的生物資源、礦產資源和能源資源。深海潛水器作為探測深海必不可少的裝備，已引起相關學者的廣泛關注。而深海耐壓結構則是維持深淵潛器穩定的關鍵部件之一，可以提供浮力儲備并為潛器內部結構提供保護作用。
2、盡管目前耐壓結構的技術發展已相當成熟，但大多數耐壓結構都采用了球形或圓柱形，蛋形耐壓殼的相關研究尚不充分。蛋形耐壓結構空間利用率高，對幾何缺陷的敏感性相對較低，具有極大的開發潛力。不同于球形耐壓結構，蛋形耐壓結構不同位置所能承受的極限載荷也不同。為了在保證結構強度的前提下提高空間利用率，同時減輕整體重量，蛋形耐壓結構的變厚度設計相當有必要。
3、現有公開號為cn104648638b的中國專利申請文獻，其公開了一種深海仿生耐壓殼體，由左端封頭、右端封頭和中部殼體構成一長度為l、寬度為b、旋轉半徑為r(x)的軸對稱蛋殼形結構，其中，所述中部殼體的厚度t2為等強度變厚結構，所述左端封頭的厚度t1和右端封頭的厚度t3分別為等厚結構，所述左端封頭與中部殼體為固定連接，所述右端封頭與中部殼體通過法蘭螺栓或者帶有密封圈的活動艙蓋相連接。
4、現有技術中存在以下缺陷：在對蛋形耐壓結構進行變厚度設計時，只考慮屈
技術實現思路
1、針對現有技術中的缺陷，本專利技術的目的是提供一種基于仿生技術的變厚度深海蛋形耐壓結構及設計方法。
2、根據本專利技術提供的一種基于仿生技術的變厚度深海蛋形耐壓結構的設計方法,包括如下步驟：
3、步驟s1、以n-r蛋形函數作為描述蛋形耐壓結構外輪廓的函數；
4、步驟s2、以一定間距離散化n-r函數，并求每一個點對應的一階導數、二階導數及兩個曲率半徑；
5、步驟s3、由此作出以強度為主要考慮因素的限制厚度曲線一t1(x)和以屈曲為主要考慮因素的限制厚度曲線二t2(x)；
6、步驟s4、對每一個x，令t(x)＝max(t1(x),t2(x))，得到同時滿足強度和屈曲要求的綜合厚度限制曲線t(x)，進行六階及以上的多項式擬合并加大常數項，得到恒大于綜合厚度限制曲線且光順的目標厚度曲線；
7、步驟s5、制作以上述方法得到的變厚度蛋形耐壓結構及以前者的最大厚度作為厚度的等體積等厚度蛋形耐壓結構；在全海深深海環境模擬器分別進行壓潰試驗，記錄并比較二者被壓潰時的環境壓強。
8、優選地，針對步驟s1、深海蛋形耐壓結構的外輪廓線可以用以下的n-r函數來描述：
9、
10、其中，l為蛋形耐壓結構長軸長度，b為蛋形耐壓結構短軸長度，這兩個參數可以根據蛋形耐壓結構的內容物的尺寸來確定，n為大小由l和b決定的一個中間變量，x為蛋形耐壓結構外輪廓上的點在長軸上的坐標，y為蛋形耐壓結構外輪廓上的點在短軸上的坐標。
11、優選地，針對步驟s2、一定間距為蛋形耐壓結構長軸長度的0.5％到2％。
12、優選地，針對步驟s2、根據以下式子求出每個點對應的一階導數、二階導數和兩個曲率半徑：
13、
14、
15、
16、
17、其中，x為蛋形耐壓結構外輪廓上的點在長軸上的坐標，y為蛋形耐壓結構外輪廓上的點在短軸上的坐標，y′為y關于x的一階導數，y″為y關于x的二階導數，l為蛋形耐壓結構長軸長度，b為蛋形耐壓結構短軸長度，n為大小由l和b決定的一個中間變量，表達式見上定義，r1(x)和r2(x)分別為蛋形耐壓結構外輪廓上點的第一曲率半徑和第二曲率半徑。
18、優選地，針對步驟s3、作出以強度為主要考慮因素的限制厚度曲線一t1(x)，表達式如下：
19、
20、其中，x為蛋形耐壓結構外輪廓上的點在長軸上的坐標，r1(x)和r2(x)分別為蛋形耐壓結構外輪廓上點的第一曲率半徑和第二曲率半徑，ps為環境載荷，σs為材料屈服強度，e為材料彈性模量，μ為材料泊松比，t1(x)為以強度為主要考慮因素時每個輪廓點對應的最小厚度，t2(x)為以屈曲為主要考慮因素時每個輪廓點對應的最小厚度。
21、優選地，針對步驟s3、作出以屈曲為主要考慮因素的限制厚度曲線二t2(x)，表達式如下：
22、
23、其中，x為蛋形耐壓結構外輪廓上的點在長軸上的坐標，r1(x)和r2(x)分別為蛋形耐壓結構外輪廓上點的第一曲率半徑和第二曲率半徑，ps為環境載荷，σs為材料屈服強度，e為材料彈性模量，μ為材料泊松比，t1(x)為以強度為主要考慮因素時每個輪廓點對應的最小厚度，t2(x)為以屈曲為主要考慮因素時每個輪廓點對應的最小厚度。
24、優選地，針對步驟s4、對每一個x，令t(x)＝max(t1(x),t2(x))，則t(x)即為同時滿足強度和屈曲要求的綜合厚度限制曲線，針對所得綜合厚度限制曲線t(x)斜率不連續的情況，可以采用六階及以上的多項式擬合，并且適當加大常數項，得到滿足要求且光順的目標厚度曲線。
25、優選地，針對步驟s5、將兩個深海蛋形耐壓結構先以比較快的速率加載到兩個深海蛋形耐壓結構的設計載荷，再在此基礎上緩慢加載，直到兩個深海蛋形耐壓結構被壓潰，記錄并比較二者被壓潰時的環境壓強，判斷變厚度深海蛋形耐壓結構的可承受載荷與等厚度深海蛋形耐壓結構的差值是否在允許范圍內。
26、優選地，針對步驟s5、若壓潰試驗的結果符合設計達到的理想預期，則步驟完結；
27、若壓潰試驗的結果不符合設計達到的理想預期，則增大目標厚度曲線最大厚度點以外的幅值，重復步驟s1至步驟s5。
28、根據本專利技術提供的一種基于仿生技術的變厚度深海蛋形耐壓結構，采用上述方法制作而成。
29、與現有技術相比，本專利技術具有如下的有益效果：
30、1、本專利技術通過在強度和屈曲都有可能影響耐壓結構安全性能的場景下綜合考慮了兩方面的因素，完善了變厚度深海蛋形耐壓結構設計方法；并且改進了對屈曲的變厚度設計，提高了安全性能，對變厚度深海蛋形耐壓結構的設計有重要意義。
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1.一種基于仿生技術的變厚度深海蛋形耐壓結構的設計方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.如權利要求1所述的基于仿生技術的變厚度深海蛋形耐壓結構的設計方法，其特征在于，針對步驟S1、深海蛋形耐壓結構的外輪廓線可以用以下的N-R函數來描述：
3.如權利要求1所述的基于仿生技術的變厚度深海蛋形耐壓結構的設計方法，其特征在于，針對步驟S2、一定間距為蛋形耐壓結構長軸長度的0.5％到2％。
4.如權利要求1所述的基于仿生技術的變厚度深海蛋形耐壓結構的設計方法，其特征在于，針對步驟S2、根據以下式子求出每個點對應的一階導數、二階導數和兩個曲率半徑：
5.如權利要求1所述的基于仿生技術的變厚度深海蛋形耐壓結構的設計方法，其特征在于，針對步驟S3、作出以強度為主要考慮因素的限制厚度曲線一t1(x)，表達式如下：
6.如權利要求1所述的基于仿生技術的變厚度深海蛋形耐壓結構的設計方法，其特征在于，針對步驟S3、作出以屈曲為主要考慮因素的限制厚度曲線二t2(x)，表達式如下：
7.如權利要求1所述的基于仿生技術的變厚度深海蛋形耐壓
8.如權利要求1所述的基于仿生技術的變厚度深海蛋形耐壓結構的設計方法，其特征在于，針對步驟S5、將兩個深海蛋形耐壓結構先以比較快的速率加載到兩個深海蛋形耐壓結構的設計載荷，再在此基礎上緩慢加載，直到兩個深海蛋形耐壓結構被壓潰，記錄并比較二者被壓潰時的環境壓強，判斷變厚度深海蛋形耐壓結構的可承受載荷與等厚度深海蛋形耐壓結構的差值是否在允許范圍內。
9.如權利要求1所述的基于仿生技術的變厚度深海蛋形耐壓結構的設計方法，其特征在于，針對步驟S5、若壓潰試驗的結果符合設計達到的理想預期，則步驟完結；
10.一種基于仿生技術的變厚度深海蛋形耐壓結構，其特征在于，采用權利要求1-9任一項所述的基于仿生技術的變厚度深海蛋形耐壓結構的設計方法制作而成。
...【技術特征摘要】
1.一種基于仿生技術的變厚度深海蛋形耐壓結構的設計方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.如權利要求1所述的基于仿生技術的變厚度深海蛋形耐壓結構的設計方法，其特征在于，針對步驟s1、深海蛋形耐壓結構的外輪廓線可以用以下的n-r函數來描述：
3.如權利要求1所述的基于仿生技術的變厚度深海蛋形耐壓結構的設計方法，其特征在于，針對步驟s2、一定間距為蛋形耐壓結構長軸長度的0.5％到2％。
4.如權利要求1所述的基于仿生技術的變厚度深海蛋形耐壓結構的設計方法，其特征在于，針對步驟s2、根據以下式子求出每個點對應的一階導數、二階導數和兩個曲率半徑：
5.如權利要求1所述的基于仿生技術的變厚度深海蛋形耐壓結構的設計方法，其特征在于，針對步驟s3、作出以強度為主要考慮因素的限制厚度曲線一t1(x)，表達式如下：
6.如權利要求1所述的基于仿生技術的變厚度深海蛋形耐壓結構的設計方法，其特征在于，針對步驟s3、作出以屈曲為主要考慮因素的限制厚度曲線二t2(x)，表達式如下：
7.如權利要求1所述的基于仿生技術的變厚度深...
【專利技術屬性】
技術研發人員：趙敏，黃己協，鄭建才，李明怡，張玉麒，張馨予，
申請(專利權)人：上海交通大學，
類型：發明
國別省市：
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