深海視頻采集系統保護窗口的設計和優化

馬俊林 杜杰 劉英

摘要：保護窗口是深海視頻采集系統的關鍵組件。為提高深海視頻采集系統的整體性能，保障深海資源的勘探和開發利用，文章通過力學分析、理論對比和打壓試驗等過程，對保護窗口進行設計和優化。研究結果表明：球扇形窗口更適合全海深均勻高壓環境;與主流窗口材料藍寶石相比，我國自主研制的YAG透明陶瓷在性能和成本上具有優勢;以第四強度理論作為充分準則進行設計，以第一和第二強度理論作為必要條件進行校驗，結合有限元力學分析結果，外徑為96 mm的半球形保護窗口的最優內徑為76 mm;對采用該內徑尺寸透明陶瓷保護窗口的深海視頻采集系統進行全海深壓強水下打壓試驗，有力證實相關理論和設計思想的合理性和可靠性。

關鍵詞：全海深;保護窗口;強度理論;透明陶瓷;有限元力學分析

中圖分類號：P715.5+3;P742文獻標志碼：A文章編號：1005-9857（2019）02-0060-05

Design and Optimization of Protecting Window for Deep Sea Video Capture System

MA Junlin，DU Jie，LIU Ying

（Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics，and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）

Abstract： Protecting window is the key component of deep sea video capture system.In order to improve overall performance of deep sea video capture system and to support exploration and development of deep sea resource，this paper presented the design and optimization of protecting window by mechanical analysis，theory comparison and pressure testing.The research results indicated that the spherical window was preferable for a homogeneous highpressure situation at the whole ocean depth and the YAG transparent ceramic material which was researched and developed by our own，which is more feasible and more favorable for the protecting window comparing to sapphire.In view of the four failure criteria，the fourth strength theory was selected as the sufficient criteria for the window design，and the first and the second strength theory were selected for the calibration.With the finite element analysis result，for hemisphere protecting window with 96 mm external diameter，the optimal solution inner diameter is 76 mm.The under water pressure testing at the full ocean depth for the imaging systems was further performed with the protecting window of 96 mm external diameter and 76 mm inner diameter，which verified the rationality and reliability of related theory and design philosophy.

Key words：Whole ocean depth，Protecting window，Strength theory，Transparent ceramic，Finite element analysis

0引言

隨著陸地資源的衰退，世界各國都將目光聚焦深海資源，而深海資源的勘探和開發利用須以深海裝備的研發為基礎[1-3]。保護窗口是深海視頻采集系統的關鍵組件，其與機械外殼共同組成深海視頻采集系統的屏障，承載海水壓力和保護內部器件。同時，保護窗口為深海視頻采集系統的核心——內核鏡頭攝像機提供清晰視野，相當于“眼睛”的“眼角膜”，其形式結構、封裝和材料直接決定整套深海視頻采集系統的性能，因此其設計至關重要。

目前全海深保護窗口的設計存在2個問題：①國內外普遍采用藍寶石作為保護窗口的材料，但藍寶石具有高硬度，材料本身和加工的成本較高;②由于缺少適用的力學理論作為設計指導，設計保護窗口的幾何尺寸時往往依靠經驗和猜測，再通過水下打壓試驗進行驗證，這種盲目的設計和試驗往往產生大量報廢件，增加不必要的成本。

1保護窗口的形式和材料

按照幾何形狀，保護窗口通常可分為3種樣式。①平板形窗口：加工成本低，設計簡單，可承受上、下2個方向的壓力;但固定面為平板面，窗口和基座的接觸面為直角，受力過于集中。②錐板形窗口：固定面為錐板面，受力集中部分較少;錐板面向下壓緊，密封性好，且設計簡單，加工成本低。③球扇形窗口：可在有限的空間內獲得更大的視野，在同等厚度下的抗壓性能較另2種形式高很多;全海深視頻采集系統在工作時受海水壓力很大，須在有限的尺寸條件下具有較高的抗壓性能[4-8]（圖1）。

根據上述對比，球扇形窗口更適合全海深視頻采集系統的綜合要求。但其加工成本高、周期長，且對材料本身的要求較高，因此要選好窗口材料、完善加工工藝和嚴控加工質量，從而保證保護窗口的光學和機械性能。

目前國內外主要選擇藍寶石作為保護窗口的材料，而新興材料——YAG透明陶瓷在很多方面具有優勢[9]。由中國科學院上海硅酸鹽研究所自主研制的YAG透明陶瓷與藍寶石的光學性能和機械性能對比如表1和表2所示。

由表1可以看出，YAG透明陶瓷和藍寶石的光學性能幾乎一致。由表2可以看出，YAG透明陶瓷和藍寶石的斷裂韌性幾乎一致;YAG透明陶瓷的抗壓和抗彎性能不如藍寶石，但通過合理的選型和結構設計，其抗壓強度能夠滿足全海深的要求，抗彎強度對于主要承受壓應力的保護窗口來說也已足夠;YAG透明陶瓷的硬度低于藍寶石，因此加工容易，尤其對于球扇形窗口來說，精磨和拋光等后續加工工序可很好地滿足面型要求。此外，YAG透明陶瓷的材料成本低，毛坯料生成周期短，均優于藍寶石。

綜上所述，采用YAG透明陶瓷制作的球扇形窗口是最理想的全海深視頻采集系統的保護窗口。

2全海深保護窗口的受力及其強度分析理論

全海深視頻采集系統在海底作業時，保護窗口受到均勻的壓力，窗口底部與基座接觸，接觸部分為窗口提供支撐面。根據窗口的受力情況，選擇合適的強度分析理論指導窗口的設計十分必要，從而保證特定幾何參數的窗口在作業時的安全性，避免窗口被破壞。

窗口每個單元受到的應力可分解為3個方向的主應力，即σ1、σ2和σ3 [10-13]（圖2）。

21第一強度理論（最大拉應力理論）

第一強度理論認為引起材料脆性斷裂的主要因素是最大拉應力，即不論應力狀態如何，只要構件內某點處的最大拉應力σ1達到單向應力狀態下的極限值σb，材料就要發生脆性斷裂[14-15]。因此，按該理論建立的強度條件為：

σ1<σb

22第二強度理論（最大伸長線應變理論）

第二強度理論認為引起材料脆性斷裂的主要因素是最大伸長線應變，即不論應力狀態如何，只要構件內某點處的最大伸長線應變ε1達到單向應力狀態下的極限值εu，材料就要發生脆性斷裂[16]。其中：

23第三強度理論（最大切應力理論）

第三強度理論認為引起材料脆性斷裂的主要因素是最大切應力，即不論應力狀態如何，只要構件內某點處的最大切應力τmax達到單向應力狀態下的極限值τ0，材料就要發生脆性斷裂[17]。依軸向拉伸斜截面上的應力公式為：

24第四強度理論（形狀改變比能理論）

第四強度理論認為引起材料脆性斷裂的主要因素是形狀改變比能，即不論應力狀態如何，只要構件內某點處的形狀改變比能達到單向應力狀態下的極限值，材料就要發生脆性斷裂。因此，按該理論建立的強度條件為：

根據球扇形窗口的受力情況和幾何特征，其在海底主要承受壓應力，同時存在拉應力等其他三向應力。此外，保護窗口應變的變化直接影響深海視頻采集系統的成像質量。因此，結合YAG透明陶瓷的脆性材料特點，本研究選取3種強度理論，對球扇形YAG透明陶瓷保護窗口進行強度分析，即采用第四強度理論分析強度，采用第一強度理論輔助校核，采用第二強度理論校驗光學成像指標。

3保護窗口的最優內徑及其水下打壓試驗

31窗口最優內徑

本研究以深海視頻采集系統的半球形保護窗口（外徑為96 mm）為對象，在機械結構設計完成后，建模并導入ANSYS有限元力學分析軟件。根據上述強度理論，確定不同內徑的保護窗口在全海深環境下的受力情況，從而確定其最優內徑，完成保護窗口的設計。

深海視頻采集系統保護窗口的材料為國產YAG透明陶瓷，機械外殼和后蓋的材料為鈦合金，結構如圖3所示。

將系統結構模型導入ANSYS有限元力學分析軟件，并設置各部件的接觸關系。其中，后蓋和機械外殼的接觸為剛性（Bond），遮光罩和窗口的接觸為無摩擦（Frictionless），其余為滑動摩擦（Frictional），摩擦系數為01。

考慮到地球海洋最深處的壓強為120 MPa，根據強度分析理論，將120 MPa的均勻壓強加載到系統的每個外部接觸面。為確定最優內徑，首先設置經驗值（內徑70 mm）仿真，然后內徑遞減1 mm直至窗口破裂。由于遮光罩屬于遮光器件，與整個系統不存在力學關系，在仿真中不予考慮。

單獨提取保護窗口的受力情況，以第四強度理論作為設計準則，以第一強度理論作為校核準則，將保護窗口內徑從70～78 mm導入ANSYS軟件，得到最大壓應力和最大拉應力在不同內徑下的模擬曲線（圖4）。

由圖4可以看出，當保護窗口內徑為76 mm和77 mm時，最大壓應力分別為742 MPa和785 MPa。YAG透明陶瓷的抗壓強度為750 MPa，當材料所受壓應力大于其抗壓強度時就會被破壞，因此76 mm為第四強度理論下的最優解。此外，各窗口內徑的最大拉應力都低于YAG透明陶瓷的抗彎強度（280 MPa），滿足第一強度理論的要求，這也間接說明窗口主要受壓應力而非拉應力。提取內徑為76 mm的窗口進行有限元力學分析，其中最大壓應力出現在半球型窗口底部內側邊緣，最大拉應力出現在半球型窗口底部中心帶。其他內徑的有限元力學分析結果顯示規律相同。

窗口內徑為70～78 mm的最大變形模擬曲線如圖5所示。

由圖5可以看出，保護窗口變形量均小于040 mm。由于根據光學設計指標給定的窗口最大變形量小于050 mm，窗口內徑對其光學性能沒有影響。提取內徑為76 mm的窗口進行應變分析，最大應變出現在半球型窗口頂部，最大變形量為028 mm。

綜上所述，外徑為96 mm的保護窗口，其內徑的最優解為76 mm。

32水下打壓試驗

根據確定的最優內徑，中國科學院上海硅酸鹽研究所研制YAG透明陶瓷保護窗口（圖6），并由上海恒生電訊工程有限公司完成深海視頻采集系統的機械加工和整機裝調（圖7）。

調裝完成的深海視頻采集系統在上海恒生電訊工程有限公司的實驗室進行水下打壓試驗：將整個系統放入注水壓力容器中打壓120 MPa，12 h后取出，系統的保護窗口沒有表面裂紋，與機械外殼接觸的部分也沒有崩邊。試驗結果有力證明本研究采用的強度分析理論具有合理性和可靠性，即在設計全海深視頻采集系統保護窗口時，以第四強度理論作為充分準則進行設計，以第一和第二強度理論作為必要條件進行校驗。

4結語

深海視頻采集系統是深海資源勘探和開發利用必不可少的關鍵設備，其保護窗口不僅為鏡頭等內部核心器件提供視野，而且是整個系統承壓保護的重要部分，因此須同時注重其光學性能和機械性能。根據對不同形式保護窗口的受力分析，球扇形窗口更適合深海高壓環境;通過與主流藍寶石材料進行對比，我國自主研制的YAG透明陶瓷在性能和成本上具有優勢;綜合考慮4種強度理論和保護窗口的特點，以第四強度理論作為充分準則進行設計，以第一和第二強度理論作為必要條件進行校驗，在機械結構設計的基礎上，進行有限元力學分析，設計出外徑為96 mm、內徑為76 mm的深海視頻采集系統保護窗口，并進行水下打壓試驗，最終證實相關理論和設計思想的合理性和可靠性。

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