大深度潛水器浮力構件的安裝設計和實驗

莊廣膠，夏?，葛彤

(上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

0 引言

目前大深度潛水器的浮力構件主要選用環(huán)氧基空心玻璃微珠復合固體浮力材料制作[1–5]。潛水器的浮力構件通常安裝在主結構上，潛水器的主結構一般采用鋁合金、鈦合金和部分不銹鋼制造[6]，金屬材料的體積彈性模量均比環(huán)氧基空心玻璃微珠復合固體浮力材料高數十甚至上百倍。在大深度海水壓力下，浮力構件的收縮變形遠大于潛水器主結構收縮變形，如果浮力構件安裝未能合理設計，輕則出現在大深度水壓下潛水器浮力構件安裝松動，重則出現浮力構件因安裝引發(fā)的應力過大導致開裂。中國在“十二五”和“十三五”計劃中布局多項深海潛水器，國內多家科研機構也開展了大深度潛水器的研制工作，研究大深度潛水器的浮力構件安裝設計有很強的工程意義。

1 問題的分析與優(yōu)化設計

1.1 早期潛水器浮力構件的安裝

早期潛水器浮力構件的安裝，采用雙頭螺桿與潛水器框架結構相連接，并具有防松功能，如圖1 所示[7]。圖1的浮力構件安裝方法在因結構簡單，在水深較淺的潛水器上廣泛應用。在大深度潛水器上，由于更大的海水壓力，使浮力構件的收縮變形量凸顯，而浮力構件的安裝結構則因為體積彈性模量大、壓縮變形量小，使浮力構件該種安裝方法存在連接松弛的隱患。

圖1 采用雙頭螺桿安裝浮力構件Fig.1 Installation of buoyancy components with double end stud

1.2 體積彈性模量的分析與測試

體積彈性模量K也稱體變模量，反映材料的可壓縮性。對于常見的固體材料，工程材料手冊會提供彈性模量E和泊松比μ的參數，但不會提供體積彈性模量K的參數，但三者之間存在換算關系，如下式：

潛水器主結構常用金屬材料的彈性模量、泊松比及計算所得體積彈性模量如表1 所示。

表1 潛水器主結構常用金屬材料的體積彈性模量Tab.1 Bulk modulus of metal materials commonly used in main structure of submersible

大深度浮力材料作為一種特殊用途材料，國外僅有數家公司有標準產品供貨，國內仍處于研究試制狀態(tài)。因此浮力材質的彈性模量相關參數僅通過查閱標準和廠家提供數值，難以獲取可信度高的參數。陳先等[8]提出了一種浮力材料體積彈性模量測量裝置，通過測量對壓力桶加壓液壓缸的體積測量浮力材料體積彈性模量。該方法是通過間接量測量，液體介質體積彈性模量變化、液體介質的泄漏均會影響測量精度。本文設計一套浮力材料體積彈性模量測試裝置，如圖2 所示，用高精度位移傳感器直接測量浮力材料試棒在壓力環(huán)境下的尺寸變化。浮力材料雖然是復合材料，但各向同性，通過尺寸變化可直接計算出其體積變化，從而獲得準確的體積彈性模量參數。計算方法如下式：

圖2 體積彈性模量測試裝置Fig.2 Bulk modulus testing equipment

使用本文所述浮力材料體積彈性測量裝置測得國內外數個型號浮力材料體積彈性模量數值，如表2 所示。

表2 浮力材料體積彈性模量測量值Tab.2 Measurement of bulk modulus of buoyancy materials

由表2 可知，測試的4 種浮力材料，體積彈性模量參數均小于3 GPa，遠小于表1 中潛水器主結構常用金屬材料的體積彈性模量。

1.3 優(yōu)化的浮力構件安裝方法

針對浮力構件在大深度海水中收縮變形問題，提出一種具有尺寸變化補償能力的浮力構件安裝方案（見圖3）。在雙頭螺桿安裝浮力構件的基礎上，增加了位移補償機構。位移補償機構由碟簧組和導向柱組成。在潛水器入水前，碟簧組處于圖3 左側狀態(tài)，當潛水器下潛到深海時，浮力構件受海水壓力尺寸變小，碟簧組伸長、補償浮力構件的高度變化，從而使浮力構件穩(wěn)定的連接在潛水器結構上。

圖3 采用位移補償機構的浮力構件安裝結構Fig.3 Installation structure of buoyancy components with displacement compensation mechanism

潛水器浮力構件按照安裝形式一般分為3 種。正裝，浮力構件安裝在結構上方，通過螺桿連接到下方結構上；吊裝，浮力構件安裝在結構下方，通過螺桿吊裝到上方結構上；側面安裝，浮力構件通過螺桿側向連接到結構上。圖4（c）中示意的浮力構件安裝形式中，應特別注意使浮力構件有較大尺寸插入結構中，避免通過雙頭螺桿的剪切作用抵抗浮力構件的重力或浮力。

圖4 浮力構件的安裝形式Fig.4 Installation form of buoyancy components

2 設計準則及計算過程

以全海深ARV 配套中繼器的浮力構件作為安裝設計對象，給出設計校核準則和計算過程。

2.1 設計準則

任何工況下，浮力構件所受到的安裝、水壓等各種應力總和不超過浮力構件的單軸壓縮強度。

1）設計準則一

近水面布放回收工況，按照潛水器設計作業(yè)海況，依據勞氏船級社給出的動載系[9]校核浮力材料受力是否超過其許用壓應力。圖4（a）和圖4（c）的結構不必做該項校核，圖4（b）的結構浮力構件通過雙頭螺桿吊裝的，起吊時動載系數直接影響了浮力構件的受力，需校核下部與浮力構件接觸的大墊片與浮力構件之間的接觸應力，要求不大于浮力材料許用單軸壓縮強度。中繼器浮力構件采用的圖4（a）的布置形式，不必做該項校核。

2）設計準則二

最大深度工作工況，浮力構件和與之接觸的大墊片之間的擠壓應力加上海水壓力不大于浮力材料許用單軸壓縮強度。考慮到潛水器劇烈運動時加速度及水流作用，安裝力需要超過浮力構件凈浮力的至少2 倍。

2.2 設計計算過程

中繼器浮力構件原材料性能及相關設計參數如表3所示。

表3 浮力材料參數表Tab.3 Parameter table of buoyancy materials

2.2.1 浮力構件尺寸變化計算

中繼器上某浮力構件安裝高度L=430 mm，在6 000 m工作深度，該高度變化為 ΔL。由式（4）變換得：

計算得ΔL=3.69 mm。

2.2.2 碟簧的選型

碟簧相關參數如表4 所示。

表4 碟簧組參數表Tab.4 Parameter table of disc spring group

由于單個碟簧變形量較小，不能滿足浮力構件位于補償需求，需要將碟簧串聯使用。碟簧串聯數量計算如下：

碟簧工作區(qū)間選擇變形量20%～60%段，該區(qū)間段單個碟簧變形量為：

計算得Δh=0.236 mm。

浮力構件安裝高度方向位移變化 ΔL，需要的碟簧數量n為：

計算得n=15.7，圓整并放余量選擇n=20。

2.2.3 校核反推碟簧工作區(qū)間

碟簧組自由高度

碟簧組預緊安裝高度（60%壓并量）

計算得Ha=45.3 mm。

碟簧組60%壓并量時彈力Fa=5 838 N，與浮力構件接觸的大墊片面積S=3 042 mm2。

接觸壓強為：

Pa小于 σc，浮力構件在該校核工況下安全。

2.2.4 最大工作深度工況校核

碟簧組工作高度為：

對應單個碟簧高度2.45 mm，此時彈簧壓縮量百分比28.35%，通過查找該彈簧工作曲線，得出彈力Fc=2 824 N。該塊浮力構件由4 根相同的雙頭螺桿安裝固定。

接觸壓強為：

浮力構件在該工況下安全。

3 實 驗

浮力構件制成后，利用深海環(huán)境模擬器開展耐壓測試，使用槽鋼模擬潛水器主結構，將浮力構件按照施工設計參數安裝在模擬結構上。經過62 MPa、24 h的靜水壓測試，浮力構件外觀無缺陷，安裝相關區(qū)域無損傷，驗證了該浮力構件的安裝結構設計是成功的。

4 結語

本文提出的大深度潛水器浮力構件安裝設計方法在海龍III 型ROV 上得到了很好的驗證，在全海深ARV 配套中繼器上開展了更為細致的設計與實驗，證明了該設計方法的正確性。相對于機動能力弱的載人潛水器和AUV（Autonomous Underwater Vehicle），ROV 在潛水器家族屬于功率大、機動能力較強的潛水器，在如此嚴酷的工況下，浮力構件的安裝設計得到了考證，說明該方法完全可以滿足設計使用要求，為大深度潛水器浮力構件的安裝設計提供參照。