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)計是這類深海載人潛水器結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(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，觀察窗玻璃隨著時間的推移逐漸產(chǎn)生蠕變變形。這種蠕變變形與受壓時間、外載荷、有機玻璃材質(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，方可進行載人球窗座設(shè)計。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)計不僅涉及到強度問題，還涉及到蠕變問題、密封問題和接觸邊界等問題。

文獻[1]針對大深度載人潛水器的觀察窗，采用計算分析和試驗研究兩種手段對大深度潛水器觀察窗的蠕變特性進行了研究，積累了一些工程經(jīng)驗，它為類似深海耐開口結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了工程方面的參考。本文在文獻[1]的基礎(chǔ)上，針對大深度潛水器觀察窗的受力形式進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算公式。

2 觀察窗的設(shè)計概況

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)計的一個共同特點是在殼體（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)計的，因而需要對開口殼體結(jié)構(gòu)整體和局部進行彈塑性變形分析。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)極限強度和開口加強的理論計算公式和分析方法。

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。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，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 個表達式計算。改變觀察窗的5個參數(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)進行優(yōu)化設(shè)計。

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個表達式分別計算分析。

基于（4a）、（4b）、（9）、（11）4 個表達式，可展開耐壓開口殼體結(jié)構(gòu)的彈塑性變形分析，進一步可給出這類結(jié)構(gòu)的極限強度和開口加強計算理論表達式。然后，參考現(xiàn)有的分析和計算方法（如其它相關(guān)理論研究、潛水器規(guī)范等[3-13]），以該計算式為基礎(chǔ)來研究窗座開孔、密封口蓋和孔口加強形式的優(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)力的理論計算方法。該計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)會議.南京,2009.

[2]張志林.飛機座艙透明件設(shè)計理論及應(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.

[4]DNV潛水器規(guī)范[S].1989.

[5]LYODS潛水器規(guī)范[S].1990.

[6]ABS潛水器規(guī)范[S].1990.

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

[8]陸 蓓,劉 濤,崔維成.深海載人潛水器耐壓球殼極限強度研究[J].船舶力學(xué),2004,8(1):51-58.

[9]劉 濤,胡 勇.大直徑鈦合金耐壓球殼的極限承載能力研究[R].無錫:中國船舶科學(xué)研究中心科技報告,2007.

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

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

[12]胡 勇,張錦飛,崔維成.救生鐘對接密封能力研究[J].船舶力學(xué),2007,11(2):221-230.

[13]李向陽,劉 濤,黃小平,崔維成.大深度載人潛水器載人耐壓球殼的疲勞載荷譜分析[J].船舶力學(xué),2004,8(1):59-70.