深海激光流速儀封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計與數(shù)值分析*

□ 吳俊飛 □ 侯文杰, □ 李德威 □ 付 平

1.青島科技大學(xué) 機電工程學(xué)院 山東青島 266061 2.國家深海基地管理中心 山東青島 266237

1 分析背景

流速是描述海底熱液流動特性的重要指標,對于深海熱液噴口生態(tài)、熱液硫化物成礦機制等的研究均具有重要價值。載人潛水器最大的特點是能夠在深海海底開展詳細勘察和精確作業(yè)。結(jié)合載人潛水器大深度深潛作業(yè)能力,設(shè)計能夠搭載載人潛水器下潛,原位獲得深海熱液流速的儀器,對于提高載人潛水器作業(yè)效率有很大幫助。出于安全考慮,載人潛水器無法采用與熱液直接接觸的測速方式,因此,只能采用聲學(xué)、光學(xué)等間接測速方法。其中,激光多普勒測速技術(shù)以高精度、快速的特點,成為測量深海熱液流速的基礎(chǔ)測試手段[1]。

封裝結(jié)構(gòu)作為流速儀內(nèi)部各元器件的載體,是保證儀器安全和可靠工作的前提[2]。對深海激光流速儀的封裝結(jié)構(gòu)而言,光學(xué)窗口是深海激光流速儀光信號發(fā)出及回收的通道,對光學(xué)窗口側(cè)封頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有較高的要求。

為符合光學(xué)設(shè)計及光路傳播要求,筆者設(shè)計了包含光學(xué)窗口封頭與筒體的深海激光流速儀封裝結(jié)構(gòu),通過ANSYS Workbench軟件分別對光學(xué)窗口封頭與筒體的受力情況進行數(shù)值分析。結(jié)果表明,在60 MPa的計算壓力下,所設(shè)計的封裝結(jié)構(gòu)耐壓性能滿足使用要求。根據(jù)設(shè)計分析結(jié)果,結(jié)合載人潛水器實際上升與下潛速度,采用深海高壓環(huán)境模擬實驗室對封裝后的深海激光流速儀進行50 MPa耐壓試驗。結(jié)果表明,深海激光流速儀在50 MPa試驗壓力下筒體無變形,藍寶石玻璃窗口完好,儀器工作正常。通過理論計算與數(shù)值分析相結(jié)合的設(shè)計方法對深海激光流速儀封裝結(jié)構(gòu)進行設(shè)計,可以在保證封裝結(jié)構(gòu)耐壓能力的基礎(chǔ)上有效提高設(shè)計效率,降低成本,對其它深海儀器封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計有借鑒作用。

2 封裝結(jié)構(gòu)

根據(jù)深海激光流速儀4 000 m最大工作深度及其它使用要求,確定封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計指標。

(1) 工作環(huán)境溫度為0～60 ℃。

(2) 最大承受40 MPa外部海水靜壓力,即工作壓力為40 MPa外壓。考慮到可能存在的未知不安全因素,留出一定安全裕量,耐壓殼體設(shè)計壓力取1.5倍工作壓力,即60 MPa,水壓試驗壓力為取1.25倍工作壓力,即50 MPa。

(3) 筒體內(nèi)部尺寸最小直徑為181 mm,最小長度為300 mm。

(4) 承壓的發(fā)射窗口、接收窗口除滿足儀器光路位置要求外,還要滿足外壓強度要求,即60 MPa。

深海激光流速儀的光信號波長為532 nm,由發(fā)射光路的兩個單頻窄線寬綠光光纖激光器發(fā)出,經(jīng)過兩個分開的發(fā)射窗口在距發(fā)射窗口鏡面軸向1 000 mm的目標表面匯聚后反射回來,經(jīng)中央的接收窗口被儀器接收,并解調(diào)處理。發(fā)射窗口與接收窗口統(tǒng)稱為光學(xué)窗口。深海激光流速儀原位作業(yè)如圖1所示,外觀如圖2所示。深海激光流速儀封裝結(jié)構(gòu)主要由光學(xué)窗口封頭與筒體兩部分組成,如圖3所示。

▲圖1 深海激光流速儀原位作業(yè)

光學(xué)窗口的材料選用耐海水腐蝕、強度高、化學(xué)穩(wěn)定性良好的藍寶石玻璃,壓板、封頭、筒體的材料選用TC4ELI鈦合金。封頭與筒體之間的密封采用丁腈橡膠材料O形密封圈。丁腈橡膠具有優(yōu)異的耐油性和物理機械性能,被廣泛應(yīng)用于O形密封圈等各種耐油橡膠制品的制造[3]。光學(xué)窗口、壓板與封頭稱為鏡頭,為保證激光器安裝布置與岸上試驗調(diào)試方便,在各組件安裝固定之后,除壓力測試與海試前后必須進行拆卸維護外,岸上試驗不必對鏡頭進行拆裝工作。

▲圖2 深海激光流速儀外觀▲圖3 深海激光流速儀封裝結(jié)構(gòu)

3 光學(xué)窗口

根據(jù)4 000 m最大工作深度及儀器自身光路設(shè)計要求,設(shè)計了一個接收窗口與兩個發(fā)射窗口。接收窗口位于封頭中央位置,窗口最小直徑為60 mm。兩個發(fā)射窗口中心軸距筒體中心軸60 mm,窗口最小直徑為16 mm[4]。發(fā)射窗口的直徑較小,采用柱形窗口[5]。接收窗口的直徑較大,采用T形窗口來提高窗口耐壓能力。壓板與封頭將三個光學(xué)窗口固定。為保證窗口、封頭、壓板之間的密封,設(shè)置了多組丁腈橡膠O形密封圈。

根據(jù)內(nèi)部光學(xué)器件的安裝位置要求,光學(xué)窗口應(yīng)滿足接收窗口直徑為67 mm,兩側(cè)發(fā)射窗口直徑為35 mm的要求。為保證玻璃光學(xué)窗口耐壓40 MPa,取接收窗口厚度為60 mm,發(fā)射窗口厚度為38 mm。壓板厚度為10 mm。

光學(xué)窗口選用藍寶石玻璃材料,性能參數(shù)見表1。

表1 光學(xué)窗口材料性能參數(shù)

4 封頭

封頭選用TC4ELI鈦合金材料,性能參數(shù)見表2。

表2 封頭材料性能參數(shù)

封頭厚度根據(jù)設(shè)計壓力為60 MPa進行設(shè)計,取最小有效直徑為181 mm。

根據(jù)文獻[6],可以得到封頭的厚度。

為保證光學(xué)窗口安裝固定與開孔強度要求,封頭設(shè)計參數(shù)見表3。

表3 封頭設(shè)計參數(shù)

5 筒體

為保證筒體內(nèi)部最小有效尺寸不小于筒體內(nèi)部最小尺寸,同時需要留出筒體與封頭相接部分長度,最終確定筒體內(nèi)部最小有效直徑為181 mm,最小有效長度為312 mm。

根據(jù)文獻[6]、[7]、[8],求得筒底設(shè)計參數(shù),見表4。

表4 筒體設(shè)計參數(shù)

6 數(shù)值分析與校核

簡化模型后采用ANSYS Workbench軟件對深海激光流速儀封裝結(jié)構(gòu)進行強度分析,施加載荷與約束如圖4所示。

6.1 封頭強度

采用等效應(yīng)力準則對封頭強度進行分析。求解后,得到封頭應(yīng)力分布云圖,如圖5所示。

由圖5可知,封頭應(yīng)力峰值位于封頭內(nèi)端面與筒體連接處,最大應(yīng)力為241.09 MPa,小于材料的許用應(yīng)力(549.3 MPa)。可見,封頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計符合強度要求。

▲圖4 施加載荷與約束▲圖5 封頭應(yīng)力分布云圖

6.2 光學(xué)窗口強度

在載荷約束的基礎(chǔ)上對三個光學(xué)窗口進行強度分析,由于壓力施加在光學(xué)窗口外端面,因此稱光學(xué)窗口外端面為高壓面,內(nèi)端面為低壓面。光學(xué)窗口強度分析選用最大拉應(yīng)力準則,得到三個光學(xué)窗口的應(yīng)力分布云圖,如圖6所示。

在60 MPa外壓環(huán)境下,光學(xué)窗口高壓面受壓應(yīng)力影響,低壓面受拉應(yīng)力影響。由圖6可知,最大壓應(yīng)力位于壓板邊緣與光學(xué)窗口高壓面相接處,最大壓應(yīng)力為172.18 MPa,遠小于藍寶石玻璃材料抗壓極限2 000 MPa;最大拉應(yīng)力位于光學(xué)窗口內(nèi)表面與封頭開孔內(nèi)壁面接觸處,最大拉應(yīng)力為135.41 MPa,小于藍寶石玻璃材料的許用應(yīng)力(173.3 MPa)。可見,所設(shè)計的光學(xué)窗口滿足強度要求。

▲圖6 光學(xué)窗口應(yīng)力分布云圖

6.3 筒體強度

按照耐壓測試要求,在筒體外表面施加60 MPa載荷,在與封頭相連接的圓環(huán)面施加固定約束。采用等效應(yīng)力準則對筒體進行強度分析。求解后,得到筒體的變形分布云圖與應(yīng)力分布云圖,分別如圖7、圖8所示。

由圖7可知,筒體最大變形位于底部,最大變形量為0.49 mm,僅為最大外形直徑尺寸的2‰,筒體剛度滿足使用要求。由圖8可知,筒體最大應(yīng)力位于封頭與筒體接合處,最大應(yīng)力為544.86 MPa,小于材料許用應(yīng)力(549.3 MPa)。可見,筒體設(shè)計符合強度要求。

6.4 筒體屈曲分析

在靜力分析的基礎(chǔ)上,在Workbench軟件中添加線性分析,求解筒體屈曲安全因數(shù)。一般當屈曲安全因數(shù)大于1.5時,可以認為筒體結(jié)構(gòu)能夠滿足穩(wěn)定性要求,不會發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象[9-10]。在Workbench軟件中設(shè)置屈曲分析的模態(tài)階數(shù)為4,在求解器中添加四個總變形計算項,然后求解前四階屈曲模態(tài)。筒體前四階屈曲模態(tài)如圖9所示,筒體屈曲安全因數(shù)見表5。

▲圖7 筒體變形分布云圖▲圖8 筒體應(yīng)力分布云圖

▲圖9 筒體前四階屈曲模態(tài)

表5 筒體屈曲安全因數(shù)

由圖9及表5可知,筒體前四階屈曲安全因數(shù)均在8以上,遠大于1.5。可見,所設(shè)計的筒體滿足剛度要求。

7 耐壓測試

深海激光流速儀與熱液流速模擬裝置于2019年7月在國家深海基地管理中心深海高壓環(huán)境模擬實驗室進行了耐壓測試,如圖10所示。測試全程整機帶電,嚴格按照載人潛水器的上升和下潛速度進行加載,測試結(jié)果表明,筒體無變形,光學(xué)窗口完好,儀器工作正常。深海激光流速儀順利通過耐壓測試,達到海試基本條件。

▲圖10 耐壓測試

8 結(jié)束語

筆者對深海激光流速儀封裝結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計,對所設(shè)計封裝結(jié)構(gòu)的耐壓強度與穩(wěn)定性進行了有限元分析,并對封裝后的深海激光流速儀進行了耐壓測試。數(shù)值分析結(jié)果表明,所設(shè)計的光學(xué)窗口、封頭強度均滿足40 MPa的工作壓力要求,筒體強度與剛度均滿足40 MPa的耐壓要求。耐壓測試表明,深海激光流速儀在50 MPa測試壓力下筒體無變形,藍寶石玻璃窗口完好,儀器工作正常。通過理論計算與數(shù)值分析相結(jié)合的設(shè)計方法,對深海激光流速儀封裝結(jié)構(gòu)進行設(shè)計,可以在保證封裝結(jié)構(gòu)耐壓能力的基礎(chǔ)上,有效提高設(shè)計效率,降低成本,對其它深海儀器封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計有借鑒作用。