劉 峰，陳 威，高良田，李子凡

（哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

輕載作業(yè)型載人潛水器耐壓球殼設(shè)計(jì)

劉 峰，陳 威，高良田，李子凡

（哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

耐壓球殼是載人潛水器的關(guān)鍵部件，對(duì)于載人潛水器的安全性、總體性能等諸多方面均有重要的影響。針對(duì)輕載作業(yè)型HOV耐壓球殼的設(shè)計(jì)，確定了殼體材料、結(jié)構(gòu)形式和主要尺度，完成了基于規(guī)范的耐壓球殼強(qiáng)度校核和穩(wěn)定性分析，設(shè)計(jì)了開(kāi)孔加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，完成了基于有限元耐壓球殼模型強(qiáng)度校核。最后，在考慮了材料非線性、初始缺陷等因素的基礎(chǔ)上，采用弧長(zhǎng)法完成了耐壓球殼的穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明耐壓球殼的設(shè)計(jì)方案滿足規(guī)范要求，為深水輕載作業(yè)型載人潛水器耐壓球殼的設(shè)計(jì)提供了參考。

耐壓球殼；強(qiáng)度校核；穩(wěn)定性分析；弧長(zhǎng)法

載人潛水器可搭載多種電子及機(jī)械設(shè)備并運(yùn)載相關(guān)技術(shù)人員，精確地到達(dá)復(fù)雜海洋環(huán)境，進(jìn)行高效的勘探、科學(xué)考察和開(kāi)發(fā)作業(yè)[1]，具有無(wú)人潛水器無(wú)法替代的功能。多年來(lái)，載人潛水器已在海洋開(kāi)發(fā)中發(fā)揮了重要的作用，被稱為“海洋學(xué)研究領(lǐng)域的重要基石”，其相關(guān)研究與應(yīng)用也受到了各國(guó)的高度重視[2-3]。與無(wú)人潛水器相比，載人潛水器系統(tǒng)構(gòu)成更加復(fù)雜，在其系統(tǒng)組成中，耐壓殼在為眾多設(shè)備提供了布置空間的同時(shí)，還為艇員提供了空間，對(duì)于艇員的水下工作效率和安全性具有重要的影響。因此，耐壓殼對(duì)于載人潛水器的效能和安全性均有重要的影響，是其設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵內(nèi)容之一。

為保證耐壓殼在高壓環(huán)境不被破壞，其必須具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，這就需要在設(shè)計(jì)階段對(duì)耐壓殼的結(jié)構(gòu)性能做出準(zhǔn)確的分析。耐壓殼的結(jié)構(gòu)分析是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，如穩(wěn)定性分析需要對(duì)于材料非線性、初始缺陷等諸多因素進(jìn)行考慮，這些使耐壓球殼的結(jié)構(gòu)分析成為載人潛水器研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)問(wèn)題之一。Dzialo[4]研究了不同工況下的球殼彈性階段的受力變形。Walter W[5]針對(duì)初始缺陷、材料幾何非線性及邊界條件等對(duì)于球殼屈曲的影響進(jìn)行了研究，采用有限元軟件進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。劉濤[6]研究了金屬、非金屬耐壓殼的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算方法，得出了系列具有參考價(jià)值的研究成果。陸蓓等[7-8]研究了初撓度對(duì)球殼穩(wěn)定性的影響，得出了經(jīng)過(guò)精加工條件下的耐壓球殼初撓度對(duì)于極限強(qiáng)度影響關(guān)系。李良碧等[9]基于非線性有限元方法，考慮了初始缺陷、幾何以及材料非線性等因素，對(duì)于大潛深耐壓球殼非線性穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。伍莉[10]考慮了非線性以及初始缺陷的影響，提出了球形缺陷厚殼的非線性穩(wěn)定性計(jì)算公式。潘濤[11]利用幾大船級(jí)社潛水器規(guī)范對(duì)耐壓殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算及對(duì)比分析。李文躍等[12]系統(tǒng)闡述了大深度載人潛水器耐壓球殼的研究現(xiàn)狀及最新進(jìn)展，并進(jìn)行了分析和總結(jié)。

本文針對(duì)輕載作業(yè)型載人潛水器的耐壓球殼進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確定了耐壓球殼的材料、結(jié)構(gòu)形式和幾何尺寸，完成了開(kāi)孔加強(qiáng)的設(shè)計(jì)。最后，采用有限元分析軟件進(jìn)行了耐壓球殼的強(qiáng)度和穩(wěn)定性分析。

1 耐壓球殼設(shè)計(jì)

1.1 材料的確定

耐壓殼選擇材料時(shí)需要對(duì)于比強(qiáng)度σS/γ、比剛度E/γ、可設(shè)計(jì)性、可加工性、經(jīng)濟(jì)性等因素進(jìn)行綜合考慮。目前耐壓殼常用的材料有鋼、鈦合金、鋁合金等。鋼材具有較高的屈服極限、比強(qiáng)度、良好的疲勞和斷裂強(qiáng)度，具有加工工藝成熟，經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是密度大；鈦合金機(jī)械性能良好，強(qiáng)度高、密度小、表面易產(chǎn)生堅(jiān)固的鈍態(tài)氧化膜、抗化學(xué)腐蝕，缺點(diǎn)是造價(jià)高、加工難度大、焊接要求高等；鋁合金比鈦合金密度更小，在質(zhì)量與排水量比較小的情況下可增大潛水器的作業(yè)深度和負(fù)載能力，缺點(diǎn)是高強(qiáng)度對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感、可焊性能差、造價(jià)也遠(yuǎn)高于鋼質(zhì)殼體等。綜合考慮材料機(jī)械性能、加工工藝、焊接工藝以及經(jīng)濟(jì)性能，最終耐壓殼體材料選擇40cr號(hào)鋼。40cr號(hào)鋼的材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 40cr鋼機(jī)械材料參數(shù)

1.2 耐壓球殼形式及幾何尺寸

耐壓殼常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式主要為球形、圓柱形或兩者的組合。從應(yīng)力角度來(lái)看，球形耐壓殼體最好，且可以獲得更好的重量-排水量比，此外，由于球形殼內(nèi)表面積與容積的比值小，因此殼體上適于簡(jiǎn)易地切割艙口、舷窗和電纜套管孔。球形已成為潛深超過(guò)800 m的潛水器耐壓殼的主要結(jié)構(gòu)形式。但球形耐壓殼也存在不便于內(nèi)部艙室布置、流體運(yùn)動(dòng)阻力大、不易加工制造、空間利用率低等缺點(diǎn)。

目標(biāo)載人潛水器潛深1 500 m、載員3人。確定耐壓殼結(jié)構(gòu)形式采用單球形，需要進(jìn)一步確定耐壓球殼的內(nèi)徑R和殼體厚度t。首先確定耐壓球殼內(nèi)徑，表2列出了幾型載員3人的載人潛器球形耐壓球殼內(nèi)徑。

表2 幾型載人潛水器耐壓球殼內(nèi)徑

表2中，耐壓球殼的內(nèi)徑基本處于2～2.2 m的范圍內(nèi)，內(nèi)徑的增大必然會(huì)導(dǎo)致耐壓球殼重量的增大，也會(huì)導(dǎo)致重量排水比的增加，但內(nèi)徑的增大會(huì)使內(nèi)部空間增大，可為設(shè)備及人員提供更大的空間，有利于艙內(nèi)人-機(jī)-環(huán)設(shè)計(jì)，本文對(duì)于內(nèi)徑折中取2.1 m。

薄殼理論是耐壓球殼理論研究的重要方法，適用于半徑厚度比大于20的耐壓球殼。隨著載人潛水器向大深度方向發(fā)展，經(jīng)典的薄殼理論已經(jīng)不能適應(yīng)屬于厚殼范圍的大深度耐壓殼體理論研究[10]。本文所研究的耐壓球殼作業(yè)深度1 500 m，傳統(tǒng)薄殼理論依然適用[13]。耐壓殼厚度需要滿足下式[14]。

式中：[σ]許用應(yīng)力，[σ]=0.85σs，N/mm2；pj計(jì)算壓力，MPa。pj通過(guò)下式求得：

式中：γ為海水密度，kg/m3；hj為計(jì)算深度,m。

考慮到可能存在的材料缺陷、計(jì)算公式誤差、作業(yè)時(shí)的超深超壓等不安全因素，要求耐壓球殼的設(shè)計(jì)需要有一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備，最大下潛深度hjx通過(guò)下式求得：

式中：K為安全系數(shù)，本文安全系數(shù)取1.5。

hjx與工作深度hg（載人潛水器正常使用中的最大深度）之間存在以下關(guān)系：

目標(biāo)載人潛水器最大工作深度1 500 m，40cr號(hào)鋼σs=785 MPa，則計(jì)算得到耐壓球殼最小厚度為19.27 mm。

進(jìn)一步按照式（5）進(jìn)行殼體的極限強(qiáng)度pcr：

式中：Cs材料物理非線性修正系數(shù)；Cz制造效應(yīng)系數(shù)，兩者由參數(shù)σe/σs通過(guò)過(guò)查圖得到[13]；pe為彈性失穩(wěn)壓力，pe采用式（6）計(jì)算得到：

式中：E為彈性模量；C通過(guò)查表得到。

當(dāng)極限強(qiáng)度pcr大于計(jì)算壓力pj時(shí)，才滿足規(guī)范要求。對(duì)于不同板殼厚度進(jìn)行極限強(qiáng)度pcr的計(jì)算，結(jié)果列于表3。

表3 不同厚度下屈曲計(jì)算結(jié)果

表3中，厚度20 mm和21 mm不滿足要求。厚度22 mm時(shí)，極限強(qiáng)度pcr大于計(jì)算壓力pj。因此，t取22 mm?？紤]到耐壓殼體還要受海水的腐蝕，需要留有一定余量，最終耐壓殼體厚度t取23 mm。

1.3 開(kāi)孔加強(qiáng)結(jié)構(gòu)

耐壓球殼的開(kāi)孔眾多，其中人員出入口、主觀察窗、兩個(gè)輔觀察窗的開(kāi)孔較大，也是耐壓球殼設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的，上述4個(gè)開(kāi)孔設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容為開(kāi)孔尺寸的確定和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

人員出入口的形式和參數(shù)見(jiàn)圖1[15]。

圖1 人員出入口加強(qiáng)形式

觀察窗有平圓形、錐臺(tái)形、球扇形3種常見(jiàn)的形式。平圓形加工安裝容易且成本低，但是視野小，承壓能力低，其裂紋多出現(xiàn)在低壓面中心，且破壞不能預(yù)先發(fā)現(xiàn)；錐臺(tái)形承載能力和視野都要優(yōu)于平圓形，但要求觀察時(shí)人眼必須靠近窗子，其失真度會(huì)隨著人眼與窗子距離減小而增加，而視野度卻恰恰相反；球扇形在水下受到的都是壓應(yīng)力，數(shù)值較小且分布均勻，在厚度直徑比相同的情況下比前兩種承壓能力好，視野大，人在球心時(shí)圖像不失真，但是工藝要求高，加工難度大、成本高，而且容易與外界物體碰撞。比較以上3種結(jié)構(gòu)形式，考慮到水下地形復(fù)雜，難免發(fā)生摩擦碰撞，以及工藝和成本因素等，最終選擇錐臺(tái)形式的觀察窗。觀察窗開(kāi)孔加強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式和具體尺寸見(jiàn)下圖[16]。

圖2 觀察窗開(kāi)孔加強(qiáng)形式及尺寸

觀察窗的布置情況與人體數(shù)據(jù)密切相關(guān)，本文所采用的人體模型數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 [16]人體工程學(xué)數(shù)據(jù)（單位：mm）

觀察窗位置主要從觀察范圍以及舒適度著手考慮，潛航員水下觀察時(shí)多為俯臥姿勢(shì)。參照表4，當(dāng)?shù)撞坑袎|子支撐肘部時(shí)，人體俯臥眼睛高度在460 mm左右，最終確定主觀察窗圓心位于耐壓球殼中剖面偏下19°，兩個(gè)輔觀察窗圓心分別在中剖面左右48°、偏下19°時(shí)，觀察窗圓心距離地板高度為466 mm，觀察姿勢(shì)較為舒適。最終觀察窗布置方案見(jiàn)圖3。

圖3 觀察窗布置圖

2 耐壓球殼結(jié)構(gòu)分析

2.1 計(jì)算模型

利用Abaqus軟件建立有限元模型，見(jiàn)圖4。

圖4 有限元計(jì)算模型

圖4中，計(jì)算模型坐標(biāo)系采用笛卡爾直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)為球心位置。單元類型選用C3D8R單元，該單元類型為8節(jié)點(diǎn)六面體減縮積分實(shí)體單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)3個(gè)自由度，x，y，z 3個(gè)方向。網(wǎng)格劃分時(shí)在艙口和觀察窗座采用掃掠網(wǎng)格，在殼體區(qū)域使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，為了體現(xiàn)應(yīng)力在厚度上的變化，在厚度方向網(wǎng)格劃分為3層。

耐壓球殼在水下受均勻水壓，但不受任何約束，而有限元靜力計(jì)算法要求消除結(jié)構(gòu)的剛體位移才能求解，因此在計(jì)算時(shí)應(yīng)用慣性釋放，約束球殼中心位置6個(gè)自由度，使其作為虛支座保證結(jié)構(gòu)上合力平衡。

圖5 約束條件以及加載

載荷主要考慮海水壓力對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，取計(jì)算壓力pj，在球殼表面施加24.5 MPa壓力，艙口處施加等效壓力95 MPa。對(duì)于觀察窗處的等效壓力，觀察窗受力情況見(jiàn)圖6。

圖6 觀察窗受力

圖6中，在觀察窗窗座受玻璃傳遞過(guò)來(lái)的接觸正應(yīng)力σT和摩擦剪應(yīng)力τf，D1、D2分別為觀察窗外、內(nèi)直徑，α、h分別為觀察窗厚度和錐體傾角[17]。圓錐臺(tái)的表面積為：

則由圓錐臺(tái)平衡可得：

因而接觸正壓力為：

式中：f為觀察窗體材料和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的摩擦系數(shù)，本文f=0.5。由于τf=fσN，則：

計(jì)算得到主觀察窗等效壓力為20.58 MPa，輔觀察窗座上的等效壓力為18.63 MPa。

2.2 強(qiáng)度校核

利用Abaqus軟件對(duì)于目標(biāo)耐壓球殼進(jìn)行分析，得到的模型應(yīng)力云圖和局部應(yīng)力云圖分別見(jiàn)圖7～圖8。

圖7 模型應(yīng)力云圖

圖8 局部節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖

計(jì)算結(jié)果顯示，在24.5 MPa的壓力載荷下，耐壓球體的最大應(yīng)力出現(xiàn)在出入艙口與球殼連接的環(huán)形帶區(qū)域上，為611.1 MPa；球殼內(nèi)側(cè)和外側(cè)觀察窗附近也是高應(yīng)力區(qū)域，觀察窗附近的最大應(yīng)力為594.4 MPa。最大應(yīng)力均小于0.85σS，即667.25 MPa，說(shuō)明設(shè)計(jì)符合規(guī)范要求。

2.3 穩(wěn)定性分析

考慮到耐壓球殼都包含有初始缺陷，會(huì)對(duì)于球殼的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，從而造成承載能力的損失。初始缺陷的處理方式分為基于屈曲模態(tài)和基于物理幾何兩種，本文采用基于屈曲模態(tài)的幾何初始缺陷分析方法。具體本文的耐壓球殼的穩(wěn)定性分析包括兩部分。第一部分通過(guò)線性屈曲的方法將第一階特征值失穩(wěn)模態(tài)引入初始撓度，來(lái)替代初始缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。第二部分進(jìn)行非線性屈曲分析，分析方法采用靜力弧長(zhǎng)法，初始撓度通過(guò)修改關(guān)鍵字引入，初撓度形狀與線性屈曲分析第一階特征值失穩(wěn)模態(tài)一致，在分析中考慮幾何、材料非線性的影響，控制增量迭代，最終得到載荷位移曲線，曲線最高點(diǎn)即為臨界失穩(wěn)力，即為耐壓球殼的極限強(qiáng)度[13]。圖9為本文所采用的非線性屈曲分析求解流程。

圖9 非線性屈曲分析求解流程

圖10 六階模態(tài)位移云圖

首先對(duì)模型進(jìn)行特征值屈曲計(jì)算，拓展模態(tài)為六階，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9，一階特征值為4.477 3，臨界載荷為109.7 MPa。

將特征屈曲計(jì)算的一階模態(tài)的撓度值通過(guò)文本文件的形式加載到非線性屈曲計(jì)算中，采用弧長(zhǎng)法[13,18]進(jìn)行非線性分析得到臨界載荷。在分析時(shí)要輸入的彈塑性參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 40cr號(hào)鋼應(yīng)力應(yīng)變值

計(jì)算時(shí)總增量步設(shè)置為100，初始增量步為0.01，最小增量步10-5，分析步時(shí)間為1。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到載荷-位移曲線見(jiàn)圖11。得到的應(yīng)力云圖和失穩(wěn)破壞形式分別見(jiàn)圖12～圖13。

圖11中，在變形初期，位移與載荷基本成線性關(guān)系，之后耐壓殼體出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，位移不再遵循之前規(guī)律，突然增大，并不斷增加，載荷逐漸減小。通過(guò)載荷-位移曲線計(jì)算得臨界載荷為33.67 MPa，大于計(jì)算壓力24.5 MPa，滿足規(guī)范中對(duì)于穩(wěn)定性的要求。

通過(guò)圖12和圖13可以看出，在臨界載荷下，出入艙口與球殼連接處和窗口周圍依舊是高應(yīng)力區(qū)域，最大應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到828 MPa，遠(yuǎn)高出屈服應(yīng)力785 MPa。

圖11 載荷-位移曲線

圖12 臨界載荷下的應(yīng)力云圖

圖13 失穩(wěn)破壞形式

3 結(jié)論

根據(jù)輕載作業(yè)型載人潛水器的情況，確定了其耐壓球殼的材料、結(jié)構(gòu)形式、主要尺寸，基于規(guī)范完成了耐壓球殼結(jié)構(gòu)校核。完成了出入艙口及觀察窗開(kāi)孔加強(qiáng)的設(shè)計(jì)，結(jié)合人體工程學(xué)數(shù)據(jù)確定了觀察窗的布置，建立了基于Abaqus軟件的耐壓球殼有限元分析模型，穩(wěn)定性分析考慮了材料非線性、初始缺陷等因素。穩(wěn)定性分析結(jié)果表明：所得到的方案滿足規(guī)范要求，但開(kāi)孔加強(qiáng)附近為高應(yīng)力區(qū)，且最先發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞的區(qū)域?yàn)橹?、輔觀察窗上部。

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Design of the Pressure-Proof Spherical Shell of Light Load Operational Manned Submersible

LIU Feng,CHEN Wei,GAO Liang-tian,LI Zi-fan
College of Shipbuilding Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,Heilongjiang Province,China

The pressure-proof spherical shell is one of the key components ofmanned submersible,and has important influence on many aspects,such as safety and overall performance.Aimed at the design of the pressure-proof spherical shell of light load operational manned submersible,this paper determines the shell material,structural type and main dimensions,conducts the strength checking and stability analysis for the pressure-proof spherical shell based on specifications,designs the opening strengthen structure,and completes the strength checking for the pressure spherical shell based on finite element software.Finally,on the basis of considering the factors such as material nonlinearity and the initial defects,the Riks method is adopted to fulfil stability analysis for the pressure-proof spherical shell.Result shows that the design scheme can satisfy the requirements of specifications,and provides reference for the design of the pressure-proof spherical shell of light load operational manned submersible.

pressure-proof spherical shell;strength checking;stability analysis;Riks method

U663.1

A

1003-2029（2017）02-0016-07

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.02.003

2016-09-02

教育部科學(xué)研究重大項(xiàng)目資助（311034）；國(guó)家科技重大專項(xiàng)子課題資助項(xiàng)目（2011ZX05027-005）

劉峰（1982-），男，博士，講師，主要研究方向?yàn)檩d人潛水器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。E-mail：liufeng4338@163.com