一眼误终身！泰坦号未获专业论证？潜水器设计用HyperMesh很重要

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。