水下耐壓艙結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究

魏振卓，徐元哲，王連明

(1.東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長春 130024；2.海南熱帶海洋學(xué)院海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，海南 三亞 572022；3.海南熱帶海洋學(xué)院海洋信息工程學(xué)院，海南 三亞 572022)

隨著人類對海洋開發(fā)力度的增大，水下設(shè)備在獲取海洋信息、加速海洋資源開發(fā)利用方面起著越來越重要的作用[1].耐壓艙為水下設(shè)備的電子系統(tǒng)提供干燥密閉的工作環(huán)境[2]，保障其可以安全、穩(wěn)定、持久的工作.因此，耐壓艙的設(shè)計在水下設(shè)備的設(shè)計中占有重要地位.

耐壓艙主要由端蓋與筒體組成[3]，在實際工程中，其外形設(shè)計需依據(jù)耐壓艙的抗壓要求、工作機(jī)制和安裝方式進(jìn)行合理選擇.常使用的外形有半球形封頭圓柱殼體、球形殼體、橢圓形殼體和方形等[4].針對不同的應(yīng)用場景，耐壓艙的制作可以選擇金屬材料或非金屬材料.本文依據(jù)耐壓艙不同工作深度的設(shè)計要求，從耐壓艙的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、密封方式和實現(xiàn)難易程度上進(jìn)行設(shè)計與分析，使用有限元仿真分析的方法進(jìn)行設(shè)計驗證[5]，提出耐壓艙結(jié)構(gòu)設(shè)計的通用方法.

1 耐壓艙結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

1.1 耐壓艙結(jié)構(gòu)特點

同等容積下，相比于其他形狀，圓柱體具有耐壓性能好、軸向水下迎流系數(shù)較小、便于機(jī)械加工制造等優(yōu)點[6]，因此在耐壓艙的設(shè)計中備受青睞.

常見圓柱體雙端蓋耐壓艙基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由端蓋與筒體組成.端蓋與筒體間常使用雙O型密封圈完成密封，使用螺釘進(jìn)行固定配合.該結(jié)構(gòu)具有以下特點：(1)筒體的兩端蓋使用水密螺絲與外界相通，便于調(diào)試、安裝與維護(hù).(2)圓柱形耐壓殼體的設(shè)計便于機(jī)械加工和耐壓艙實際安裝.(3)雙O型密封圈可實現(xiàn)擠壓密封，其結(jié)構(gòu)簡單、密封效果好、應(yīng)用廣泛，并且O型密封圈有成型的系列產(chǎn)品，便于購買和使用.

1.2 密封結(jié)構(gòu)分析

耐壓艙的筒體與雙端蓋使用O型密封圈實現(xiàn)防水密封，該種密封方式屬于擠壓密封的一種(如圖1所示).在密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，常使用氟橡膠密封圈和丁腈橡膠密封圈[7]，其密封效果與密封圈的壓縮量和拉伸量有關(guān)；壓縮量過小，不能達(dá)到較好的密封效果，存在安全隱患；壓縮量過大，會使得密封圈損壞變性，不能重復(fù)使用[7].同樣，當(dāng)O型密封圈的拉伸量過大的時，會降低密封圈的彈性，造成耐壓艙的泄露.一般在使用O型密封圈進(jìn)行密封設(shè)計時其壓縮量控制在15%～30%為宜[8].O型密封圈的壓縮量的計算公式為

(1)

拉伸量計算公式為

(2)

式中：d0表示密封圈的截面直徑(mm)；α為密封圈的拉伸量；d為軸徑(mm)；d1為密封圈的內(nèi)徑(mm)；H0為密封溝槽深度(mm).

圖1 耐壓艙結(jié)構(gòu)示意圖

依據(jù)耐壓艙筒體壁厚的設(shè)計不同，密封圈、密封溝槽與端蓋有多種配合方式，常見的配合方式如圖2所示.

圖2 雙O型密封圈安裝方式

1.3 材料選擇

水下設(shè)備的工作環(huán)境較為惡劣，對設(shè)備的耐腐蝕性、抗壓性能、體積與質(zhì)量等方面有著嚴(yán)格的要求.因此，選用合適的材料對耐壓艙的制作至關(guān)重要.表1是耐壓艙常見材料的力學(xué)性能參數(shù).

有機(jī)玻璃(Polymethyl Methacrylate，PMMA)全稱為聚甲基丙烯酸甲酯，是一種應(yīng)用非常廣泛的熱塑性塑料，具有高透明度、價格較低和便于加工的優(yōu)點，常被用于制造水下攝像機(jī)和水下燈光的防水罩.在金屬材料中，鋁合金密度較小，易于設(shè)備加工、制造，材料成本較低，經(jīng)陽極氧化處理之后具有較好耐腐蝕性能.不銹鋼相較于鋁合金具有較大的剛度和強(qiáng)度，其耐壓性能、焊接性能較好，但是密度較大，常被用于框架設(shè)計.在水下設(shè)備的制造中，鈦合金是一種較為理想的金屬材料，其具有較好的強(qiáng)度和剛度，密度介于鋁合金與不銹鋼之間，非常適合用于水下設(shè)備的制造，不足之處是材料與加工成本較高，焊接性能較差，不適合大量使用.

1.4 耐壓艙應(yīng)力分析

為確保水下設(shè)備的電子系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，耐壓艙在工作時不能出現(xiàn)變形或者破裂.因此，需要對耐壓艙體所能承受的極限載荷進(jìn)行分析和計算，并指導(dǎo)耐壓艙的設(shè)計與制造.耐壓艙在水下所受外壓如圖3所示.

圖3 耐壓艙受外壓示意圖

耐壓艙實際工作時，其內(nèi)部壓力小于外部壓力，屬于外壓容器[9].在海水壓力的作用下，耐壓艙筒體有可能發(fā)生褶皺或變形，失去原有的機(jī)械結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象稱為失穩(wěn)[10].在徑向壓力的作用下，耐壓艙可能發(fā)生側(cè)向失穩(wěn)；在軸向壓力的作用下，耐壓艙可能產(chǎn)生軸向失穩(wěn).因此，在耐壓艙的設(shè)計中，需要計算其臨界壓力，提高耐壓艙工作的穩(wěn)定性.圓柱形外壓容器分為長圓筒與短圓筒，兩者計算臨界壓力的方式不同.判斷圓柱形外壓容器類型的公式[11]為

(3)

式中：Lcr為計算臨界長度；D0為外壓圓筒的外徑；δe為耐壓艙設(shè)計壁厚.設(shè)計長度L≥Lcr時其屬于長圓筒，反之則屬于短圓筒.以上各量均以mm為單位.

短圓筒的臨界壓力計算公式[12]為

(4)

長圓筒的臨界壓力計算公式[12]為

(5)

式中：Pcr為計算臨界壓力，單位為MPa；E為材料的彈性模量，單位為MPa；μ為材料的泊松比；D0為筒體的外直徑，單位為mm；δe為設(shè)計的圓筒壁厚，單位為mm.

在指定耐壓艙的材料、艙體長度、壁厚與外徑時，可以計算其臨界壓力.實際在耐壓艙設(shè)計中，設(shè)計的臨界壓力對實際工作壓力應(yīng)該有一定的冗余，使用安全系數(shù)S度量冗余程度，安全系數(shù)定義為

(6)

式中：S為安全系數(shù)；Pcr為計算臨界壓力(MPa)；Pc為耐壓艙設(shè)計工作壓力(MPa).

依據(jù)德國勞式規(guī)范的要求[13]，安全系數(shù)隨深度的增加而減少，但是其數(shù)值總是大于1，保證耐壓艙的設(shè)計臨界壓力大于實際工作壓力，提高耐壓艙在實際使用中的可靠性.安全系數(shù)隨深度變化的規(guī)律如表2所示.

表2 安全系數(shù)隨深度的變化規(guī)律

基于在耐壓艙設(shè)計深度、材料、內(nèi)徑與艙體長度確定之后可以求解出滿足條件的壁厚數(shù)值.

由上述分析可知，耐壓艙端蓋在軸向壓力的作用下可能發(fā)生軸向失穩(wěn).為保證耐壓艙工作的穩(wěn)定性，需對端蓋厚度進(jìn)行計算.圓形端蓋的厚度計算公式[14]為

(7)

式中：δp為計算端蓋厚度，單位為mm；K為結(jié)構(gòu)特征系數(shù)，對于圓形平蓋K=0.25；Dc為端蓋設(shè)計直徑，單位為mm；φ為焊接接頭系數(shù)，對于無焊接接頭其數(shù)值為1；[σ]t為設(shè)計材料的屈服強(qiáng)度，單位為MPa.

1.5 有限元仿真分析

在耐壓艙設(shè)計中，其設(shè)計耐壓載荷應(yīng)有一定冗余，設(shè)計仿真載荷計算公式[14]為

PT=1.25P.

(8)

式中：PT為仿真載荷，單位為MPa；P為設(shè)計壓力，單位為MPa.在應(yīng)力仿真前應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力校驗，進(jìn)行應(yīng)力校驗公式為

(9)

圖4 有限元仿真分析流程

式中：σT為耐壓艙在仿真載荷下的應(yīng)力，單位為MPa；Di為耐壓艙內(nèi)直徑，單位為mm；PT為耐壓艙仿真載荷，單位為MPa；δe為耐壓艙設(shè)計壁厚，單位為mm.并且由于耐壓艙在水下工作，則應(yīng)該滿足

σT≤0.9φσp0.2.

(10)

式中：σp0.2圓筒材料在仿真條件下的屈服點(或0.2%屈服強(qiáng)度)(MPa)；φ為圓筒的焊接接頭系數(shù).

為了校驗?zāi)蛪号撛趯嶋H工作中的可靠性，在應(yīng)力校驗之后需要使用有限元仿真分析的方法求解所設(shè)計的耐壓艙的最大應(yīng)力與對應(yīng)深度的安全系數(shù)，對設(shè)計做進(jìn)一步的驗證.應(yīng)力仿真基于SolidWorks simulation模塊，有限元仿真分析流程如圖4所示.

2 耐壓艙結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

通過對密封結(jié)構(gòu)、材料選擇、耐壓艙應(yīng)力、有限元仿真分析，提出水下設(shè)備耐壓艙的通用設(shè)計方法.具體設(shè)計過程如下：

(1) 確定設(shè)計需求，包含設(shè)計內(nèi)徑大小、艙體長度和工作深度，設(shè)置初始壁厚δe；

(2) 依據(jù)(3)式判斷艙體類型，計算不同材料的臨界壓力Pcr和安全系數(shù)S；

(3) 判斷安全系數(shù)S是否符合表2中安全系數(shù)隨深度變化的規(guī)律；

(4) 更新δe=δe+1，重復(fù)(2)與(3)過程，進(jìn)行迭代計算，直至滿足表2要求；

(5) 依據(jù)(7)式計算端蓋厚度，對端蓋厚度做1.5倍加厚補(bǔ)強(qiáng)處理，提高抗壓性能；

(6) 選擇O型密封圈，依據(jù)(1)與(2)式計算密封圈的壓縮量與拉伸量，指導(dǎo)H0設(shè)計；

(7) 基于有限元仿真分析的結(jié)果優(yōu)化設(shè)計，驗證設(shè)計的有效性與可靠性.

耐壓艙設(shè)計中需綜合考慮其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、密封方式與材料選擇.基于提出的方法可得到不同材料在滿足設(shè)計要求時的機(jī)械結(jié)構(gòu)，再結(jié)合對耐壓艙的體積、質(zhì)量、安裝方式與工作機(jī)制的需求，可以確定滿足實際需求的材料，最終完成耐壓艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計.

3 設(shè)計實例分析

3.1 筒體壁厚與端蓋厚度計算

以PMMA材料為例，設(shè)計耐壓艙的工作深度為100 m，設(shè)置初始壁厚為δe=4 mm，設(shè)計長度為230 mm，耐壓艙設(shè)計內(nèi)徑為110 mm，則知耐壓艙設(shè)計外徑D0=110+4×2=118 mm.由(3)式計算其臨界長度為

(11)

由計算結(jié)果可知，實例設(shè)計的筒體屬于短圓筒，依據(jù)上文提出的方法基于δe=δe+1進(jìn)行迭代計算，依據(jù)(4)式求解臨界壓力為

(12)

使用不同材料在進(jìn)行耐壓艙的設(shè)計時，其滿足表2的設(shè)計壁厚在不同深度下有所不同，依據(jù)上述方法可以得到不同材料在不同深度下最小壁厚要求(以步長0.5 mm進(jìn)行迭代計算)，結(jié)果如表3所示.

表3 不同材料在不同深度下壁厚數(shù)據(jù) mm

對端蓋厚度基于(7)式進(jìn)行計算，計算結(jié)果為

(13)

對端蓋厚度做1.5倍加厚補(bǔ)強(qiáng)處理，則設(shè)計端蓋壁厚為11 mm.

由表3可知，相同深度下由金屬材料制造的耐壓艙其最小壁厚小于非金屬材料.因此，一般來說對于金屬材料其密封方式可使用圖2(b)的安裝方式，非金屬材料其密封方式可以使用圖2(a)的安裝方式.依據(jù)實例設(shè)計要求，針對不同材料，可得出符合設(shè)計深度下的耐壓艙筒體壁厚與端蓋壁厚的結(jié)果.

3.2 耐壓艙筒體應(yīng)力仿真

對于PMMA材料，在100 m設(shè)計深度下，由3.1節(jié)知其最小壁厚為δe=7 mm，依據(jù)(8)式得仿真載荷為1.25 MPa，則耐壓艙在仿真載荷下的壓力σT=10.45 MPa，滿足σT≤0.9×1×75×0.2=13.5 MPa，應(yīng)力校驗滿足設(shè)計要求.有限元仿真結(jié)果如圖5所示.

圖5 應(yīng)力仿真結(jié)果與安全系數(shù)云圖(PMMA)

由圖5可知，耐壓艙最小安全系數(shù)為3.93，滿足表2中安全系數(shù)隨深度變化的規(guī)律.

4 結(jié)束語

耐壓艙作為水下設(shè)備的重要組成部分，由于工作環(huán)境較為惡劣，因此，其結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇至關(guān)重要.基于對耐壓艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇與密封方式的分析，提出通過迭代計算求解不同材料耐壓艙筒體壁厚的方法，利用該方法可以針對實際需求，完成圓柱體雙端蓋耐壓艙的筒體壁厚與端蓋厚度的設(shè)計.設(shè)計完成后，采用有限元仿真方法驗證了設(shè)計的可靠性與有效性.