深海耐壓結(jié)構(gòu)觀察窗應(yīng)力分析

劉道啟，胡 勇，田常錄，崔維成

（1北京交通大學(xué)，北京100044；2中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082；3江南大學(xué)機(jī)械學(xué)院，江蘇 無錫 214122）

1 引 言

深海資源的探測與開發(fā)必須以深海裝備的研制為前提。世界主要海洋大國均在大力發(fā)展各類深海探測與開發(fā)裝備。而耐壓開口結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是這類深海載人潛水器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。例如，我國的"和諧號"載人深潛器的工作深度為7000m[1]，載人球開口結(jié)構(gòu)主要有觀察窗和人員出入艙口兩種。觀察窗材料性能不同于金屬材料，在高海水壓力作用下，觀察窗玻璃隨著時(shí)間的推移逐漸產(chǎn)生蠕變變形。這種蠕變變形與受壓時(shí)間、外載荷、有機(jī)玻璃材質(zhì)、觀察窗與金屬窗座之間的接觸幾何形式、接觸面的潤滑狀態(tài)等因素均有關(guān)系。在掌握窗玻璃的蠕變特性條件下，方可進(jìn)行載人球窗座設(shè)計(jì)。否則可能出現(xiàn)觀察窗擠出窗座或者在蠕變過程中變形不協(xié)調(diào)使得密封失效，從而帶來安全隱患。因此，觀察窗的設(shè)計(jì)不僅涉及到強(qiáng)度問題，還涉及到蠕變問題、密封問題和接觸邊界等問題。

文獻(xiàn)[1]針對大深度載人潛水器的觀察窗，采用計(jì)算分析和試驗(yàn)研究兩種手段對大深度潛水器觀察窗的蠕變特性進(jìn)行了研究，積累了一些工程經(jīng)驗(yàn)，它為類似深海耐開口結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了工程方面的參考。本文在文獻(xiàn)[1]的基礎(chǔ)上，針對大深度潛水器觀察窗的受力形式進(jìn)行了理論方面的探索，推導(dǎo)獲得了觀察窗應(yīng)力分析的理論方法和計(jì)算公式。

2 觀察窗的設(shè)計(jì)概況

對于“和諧號”，其載人球內(nèi)直徑2.1m，設(shè)有一只透光直徑為200mm的主觀察窗和兩只透光直徑為120mm的側(cè)觀察窗，見圖1。

主、側(cè)觀察窗都采用45°錐體結(jié)構(gòu)。觀察窗與窗座的密封設(shè)置在觀察窗外側(cè)面的邊緣，通過固定壓環(huán)壓緊密封圈。觀察窗的錐形面和窗座錐形面均進(jìn)行了打磨處理，接觸邊界非常光滑，摩擦系數(shù)很小，約為f=0.1。觀察窗與窗座之間是面—面接觸，對于有機(jī)玻璃材料制成的觀察窗，接觸面上的鈦合金觀察窗窗座可以設(shè)定為剛性體，觀察窗為粘彈性體材料。

在深海裝備研制過程中，大深度耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)共同特點(diǎn)是在殼體（一般為球或柱錐）主體結(jié)構(gòu)上設(shè)有觀察窗等較大的開口。由于深海潛水器耐壓殼體是按彈塑性極限設(shè)計(jì)的，因而需要對開口殼體結(jié)構(gòu)整體和局部進(jìn)行彈塑性變形分析。研究內(nèi)容包括優(yōu)化窗口蓋座開孔結(jié)構(gòu)形式、優(yōu)化密封口蓋結(jié)構(gòu)形式和孔口加強(qiáng)形式，盡量減小局部應(yīng)力突變，最大限度地保證完整殼體受力形式不受局部開口的影響，防止窗座發(fā)生明顯的永久變形等。所以，深海耐壓結(jié)構(gòu)觀察窗的應(yīng)力分析是耐壓開口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)工作。觀察窗的應(yīng)力分析之目的是優(yōu)化觀察窗的結(jié)構(gòu)、從而獲得深海耐壓開口結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度和開口加強(qiáng)的理論計(jì)算公式和分析方法。

3 觀察窗受力分析

3.1 觀察窗側(cè)向壓應(yīng)力和摩擦剪應(yīng)力

用D1，D2和h分別表示為觀察窗外、內(nèi)直徑和厚度，α為錐體傾角。由于接觸邊界非常光滑，假設(shè)圓錐臺的應(yīng)力均勻分布，在邊緣極小范圍內(nèi)過渡到0，將過渡段的應(yīng)力忽略不計(jì)。接觸正壓力和摩擦剪應(yīng)力分別為σN和τf，受力如圖2所示，其中q為潛水器外壓。

圓錐臺的表面積為：

則由錐臺平衡可得：

因而接觸正壓力為：

由上式和（3）式可得：

3.2 觀察窗軸向應(yīng)力

取一段高為z的錐臺，受力圖見圖3。由錐臺平衡可得：

其中高為z的錐臺表面積：

則觀察窗軸向應(yīng)力為：

引入無量綱坐標(biāo)σz/q和z/h，則有：

對于“和諧號” 觀察窗（圖 1），有 α=π/4，側(cè)觀察窗 h=130，D1=380，主觀察窗 h=220，D1=640。 代入（9）式，其分布如圖 4。

由于“和諧號”主、側(cè)觀察窗幾何尺寸和受力形式都相似，在無量綱坐標(biāo)z/h下，圖4中主、側(cè)觀察窗無量綱軸向應(yīng)力σz/q完全相同。

3.3 觀察窗徑向應(yīng)力

由于是軸對稱問題，徑向應(yīng)力必然是均布，取斜面一點(diǎn)，應(yīng)力狀態(tài)見圖5。由平衡可得：由

上式和（4）式可得：

對于“和諧號”二觀察窗（圖 2）有α=π/4， f=0.1，側(cè)觀察窗有h=130，D1=380，主觀察窗有 h=220，D1=640。無量綱后，主、側(cè)觀察窗的徑向應(yīng)力都為：

可見，主、側(cè)觀察窗無量綱軸徑向應(yīng)力相同。

至此，觀察窗的側(cè)向壓應(yīng)力、摩擦剪應(yīng)力、軸向應(yīng)力、徑向應(yīng)力可分別由（4a）、（4b）、（9）、（11）4 個(gè)表達(dá)式計(jì)算。改變觀察窗的5個(gè)參數(shù)（即錐度α、摩擦系數(shù)f，外表面直徑D1，厚度h），可以分析觀察窗應(yīng)力狀態(tài)隨這些參數(shù)的變化情況，從而可從理論上對觀察窗的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

對于“和諧號”二觀察窗（圖1），由于觀察窗幾何尺寸和受力形式相似，在無量綱坐標(biāo)z/h中，主、側(cè)觀察窗無量綱徑向應(yīng)力和軸向應(yīng)力（見上節(jié)）完全相同。但對于其它一般情況，應(yīng)由（4a）、（4b）、（9）、（11）4個(gè)表達(dá)式分別計(jì)算分析。

基于（4a）、（4b）、（9）、（11）4 個(gè)表達(dá)式，可展開耐壓開口殼體結(jié)構(gòu)的彈塑性變形分析，進(jìn)一步可給出這類結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度和開口加強(qiáng)計(jì)算理論表達(dá)式。然后，參考現(xiàn)有的分析和計(jì)算方法（如其它相關(guān)理論研究、潛水器規(guī)范等[3-13]），以該計(jì)算式為基礎(chǔ)來研究窗座開孔、密封口蓋和孔口加強(qiáng)形式的優(yōu)化方法以及減小局部應(yīng)力突變等問題。

4 結(jié) 論

本文針對大深度載人潛水器的觀察窗，給出了觀察窗應(yīng)力的理論計(jì)算方法。該計(jì)算方法以觀察窗錐度、摩擦系數(shù)，外表面直徑、內(nèi)表面直徑，厚度等為基本參數(shù)，可統(tǒng)一計(jì)算不同形式觀察窗的應(yīng)力，從而為深海潛水器觀察窗這類結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定了一定的理論基礎(chǔ)。本文研究結(jié)果作為深海耐壓開口殼體接觸界面變形協(xié)調(diào)與水密技術(shù)研究的一部分，可為深海耐壓開口結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供理論基礎(chǔ)。

[1]劉道啟,胡 勇,王 芳,田常錄,崔維成.深海載人潛水器觀察窗的蠕變特性[C].全國船舶力學(xué)會(huì)議.南京,2009.

[2]張志林.飛機(jī)座艙透明件設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用[D].南京:南京航空航天大學(xué),2005.

[3]中國船級社.潛水系統(tǒng)和潛水器入級與建造規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,1996.

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[7]劉 濤.大深度潛水器耐壓殼體彈塑性穩(wěn)定性簡易計(jì)算方法[J].中國造船,2001(3):8-14.

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[10]劉 濤.深海載人潛水器耐壓球殼設(shè)計(jì)特性分析[J].船舶力學(xué),2007,11(2):214-220.

[11]朱繼懋.潛水器設(shè)計(jì)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1991.

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