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一眼误终身!泰坦号未获专业论证?潜水器设计用HyperMesh很重要

4月前浏览3131

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。


来源:CAE仿真软件
OptiStructHyperMesh静力学疲劳碰撞非线性拓扑优化二次开发船舶汽车海洋多体动力学理论材料Altair
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-06-28
最近编辑:4月前
广州智造
Altair正版软件代理商
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