孫德志，孫 飛

（吉林工程職業(yè)學院，吉林 四平 136000）

1 引言

載人潛水器作為重要的大型深海運載裝備，是海洋科學技術發(fā)展的最前沿和制高點。深海載人潛水器是現(xiàn)代海底探查及研究的重要裝備，觀察窗使是其觀察外界環(huán)境的重要途徑。在滿足安全性的前提條件下，觀察窗優(yōu)劣的評價標準主要就是其數(shù)量和它們之間視野的覆蓋程度。文獻[2]利用ABAQUS計算窗座圍欄與球殼連接過渡處參數(shù)對于觀察窗極限強度影響；文獻[3]運用數(shù)值計算對大深度潛水器耐壓球殼結構性能影響及穩(wěn)定性分析；文獻[4]結合模型試驗和數(shù)值計算對大深度球形耐壓結構靜態(tài)力學性能進行研究；文獻[5]認為由于觀察窗設計是屬于有限壽命設計，對于該尺寸以及深海高壓的實驗環(huán)境，又不可能提供滿足試驗方法的條件。

針對大深度載人潛航器進行靜力學分析，對比分析三種結構即平圓形，錐臺形，球扇形?；谟邢拊獙τ绊懹^察窗的應力、應變和位移因素展開研究。對比分析因素對應力、應變和位移的影響，尋求觀察窗最優(yōu)設計。

2 觀察窗受力分析

視窗的錐形面和窗座的錐形面尺寸相同，二者均進行了打磨處理，保持接觸邊界光滑[6]。觀察窗三種基本結構：平圓形、錐臺形和球扇形。球扇形是承受外界壓力最理想的形式。觀察窗在靜水壓作用下只承受壓應力，而且分布均勻，數(shù)值較小。因此在同樣厚徑比情況下，球扇形觀察窗較平圓形和錐臺形觀察窗有承壓能力高，視野寬闊，人眼在球心時圖像不會失真的優(yōu)點。

錐臺形是軸對稱圖形，下面探討從中心軸出發(fā)，距離中心軸為R距離位置的受力，取受海水的承壓面直徑為R，厚度為x，由45°得到下底面直徑為，則上面受壓力為πR2q，下面受力為：

受力平衡得：

側面受力設為F（力的方向向下為“+”）

即得到距離R的側面受力F等于：

觀察窗的軸向應力為：

徑向應力為：

三個主應力為：

應力偏量為：

其中：

則，等效應力為：

3 尺寸參數(shù)對觀察窗影響分析

3.1 平圓形觀察窗

保證外徑與內(nèi)徑比值為3，分別取5組不同厚徑比，建立平圓形觀察窗的模型，具體如表1所示。

表1 不同厚徑比的平圓形觀察窗尺寸Tab.1 Flat Size of the Different Thickness Ratio

由于剪應力數(shù)值較小，不予考慮，環(huán)向應力的變化趨勢與徑向應力相同，故只取徑向應力，軸向應力，徑向位移，軸向位移在高壓面、低壓面、軸線的分布進行比較。

3.2 錐臺形觀察窗

3.2.1 錐角影響

保證厚徑比值為1，取5組不同錐角的觀察窗進行分析，具體數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 不同錐角的錐臺形觀察窗尺寸Tab.2 Different Cone Angle of the Cone-Shaped Observation Window

由于剪應力數(shù)值較小，不予考慮，環(huán)向應力的變化趨勢與徑向應力相同，故只取徑向應力，軸向應力，徑向位移，軸向位移在高壓面、低壓面、軸線的分布進行比較。

徑向位移和軸向位移的數(shù)值也是隨錐角的增大而減小，在90°以后減小的趨勢逐漸平緩，值得注意的是徑向位移在高壓面上的分布，60°和90°兩種錐臺形觀察窗的徑向位移數(shù)值最小，而過小和過大的錐角都會使得徑向位移的數(shù)值增加。

3.2.2 厚徑比影響

保證錐角為90°，內(nèi)徑為220mm，分別取5組不同厚徑比的觀察窗進行分析，具體，如表3所示。通過有限元分析，不同厚徑比的觀察窗徑向應力，軸向應力，徑向位移，軸向位移在高壓面、低壓面、軸線的分布。

表3 不同厚徑比的錐臺形觀察窗尺寸Tab.3 Different Thickness Ratio of the Cone-Shaped Observation Window Size

徑向位移在高壓面上的數(shù)值隨著厚度的增加而增加，厚徑比超過1以后徑向位移會達到較大的數(shù)值。不同厚徑比的觀察窗的徑向位移在低壓面上的數(shù)值和分布趨勢都大體相同。觀察軸向位移在高壓面上的分布，相對而言數(shù)值最小的是t/Di=1的情況，軸向位移在低壓面的數(shù)值則是隨著厚徑比的增大而減小，減小的趨勢在厚徑比達到1以后逐漸平緩。這里要主要到軸向位移在軸線上的分布，除了厚徑比為0.5和0.75兩種情況下軸向位移的數(shù)值是隨著z值的升高而單調降低外，其他三種均呈現(xiàn)出先減小后增大的現(xiàn)象，盡管厚窗（t/Di=1.5）的軸向位移數(shù)值在前半段較小，但是增大后的位移數(shù)值超過了厚徑比為1.25和1兩種情況。

3.3 球扇形觀察窗

保證厚徑比值為1，取5組不同錐角的觀察窗進行分析，具體數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4 不同厚徑比的球扇形觀察窗尺寸Tab.4 Different Thickness Ratio

通過有限元分析，得不同厚徑比觀察窗徑向位移、徑向應力、切向應力，如圖1所示。徑向位移、徑向應力、切向應力的數(shù)值隨錐角的增大而減小，在90°以后減小的趨勢逐漸平緩。因此，同一厚度、相同厚徑比的球扇形觀察窗，錐角越大，其應力和位移的數(shù)值相對越小，但是這種減小的趨勢在錐角達到90°后趨于平緩。

圖1 厚徑比對球扇形觀察窗的影響Fig.1 The Effect of Thick and Small Ratio on the Fan-Shaped Window

3.4 觀察窗結構形式的設計準則

取相同的厚徑比、厚度、錐角，尺寸如表5所示。

表5 不同結構形式的觀察窗尺寸Tab.5 Different Forms of Observation Window

平圓形和錐臺形觀察窗的徑向應力和軸向應力在軸線上的分布，如圖2所示。兩種形式的軸向應力分布趨勢大體相同，而徑向應力雖然變化趨勢相同，但是數(shù)值上有很大的差別，盡管平圓觀察窗的高壓面壓應力數(shù)值要小于錐臺形，但是平圓形觀察窗的低壓面出現(xiàn)了拉應力?？梢?，相同尺寸下，錐臺形這種結構能夠消除低壓面中心處的拉應力。

圖2 結構形式對觀察窗的影響Fig.2 The Effect of the Structure on the Observation Window

4 結論

基于有限元分析，對影響觀察窗應力的尺寸參數(shù)和結構形式進行分析，對影響觀察窗的應力、應變和位移的因素進行對比分析。結果可知：（1）對于平圓形觀察窗而言，隨著厚徑比的增大，應力逐漸減小，當厚徑比達到1之后，應力變化趨于平緩；（2）對于錐臺形觀察窗而言，隨著錐角的增大，應力逐漸減小，當錐角達到90°之后，應力變化趨于平緩，隨著厚徑比的增大，應力逐漸減小，當厚徑比達到1之后，應力變化趨于平緩；（3）對于球扇形觀察窗而言，隨著錐角的增大，應力逐漸減小，當錐角達到90°之后，應力變化趨于平緩，隨著厚徑比增大，應力逐漸減小，當厚徑比達到1之后，應力變化趨于平緩；（4）三種結構形式中，球扇形觀察窗應力狀態(tài)最好。