高成君，姜 磊，張慶勇，劉 帥

（中國船舶科學(xué)研究中心 深海載人裝備國家重點實驗室，江蘇無錫 214082）

關(guān)鍵字：觀光潛水器；載人艙；大開口；結(jié)構(gòu)分析

0 引言

觀光潛水器是一種能夠運載普通乘客既可在水下航行，又可浮出水面并保持水面航行的自航運載器。是一種可搭載未經(jīng)任何特殊訓(xùn)練的游客遨游海底的高科技旅游設(shè)施，它已廣泛應(yīng)用于當(dāng)今的海洋旅游中[1]。觀光潛水器作為一型允許普通乘客在水下觀光游覽的高科技民用產(chǎn)品，應(yīng)具備安全、可靠、美觀、舒適、耐用、運營成本低的特點。為了有效降低運營成本，快速回收投資，觀光潛水器的大型化是觀光潛水器發(fā)展的最重要方向之一。

觀光潛水器載人艙主要有2種結(jié)構(gòu)形式，一種是全通透載人艙，主要以全通透柱形有機(jī)玻璃或球形有機(jī)玻璃作為耐壓結(jié)構(gòu)，如我國開發(fā)的寰島蛟龍型載客潛水器[2]，因有機(jī)玻璃材料屬性及加工成型工藝限制，有機(jī)玻璃不能大型化，該種潛水器載客人數(shù)相對較少；另一種是主要以金屬材料作為耐壓殼體，在耐壓殼體上開小型觀察窗，世界上比較有名的觀光潛水器有美國的46客位ATLANTIS潛水器[3]、芬蘭的48客位MARK型潛水器[4]，該類觀光潛水器可大型化，下潛深度也可以更深，艙內(nèi)舒適度隨著載人艙的大型化可以更好，但國內(nèi)市場還沒有自主設(shè)計的該類觀光潛水器運營。

作為一種以營利為目的的水下載人觀光潛水器，為提高其舒適性，可通過增大載人艙內(nèi)徑和增大進(jìn)出艙艙口出入通徑來改善乘客的切身感受。因此，在提高乘客舒適性的同時，對其大開口結(jié)構(gòu)的耐壓載人艙的安全性就有更高的要求。

本文首先采用規(guī)范計算對載人艙結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果進(jìn)行了強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核[5]，然后采用有限元分析軟件[6-9]對載人艙受水壓時的應(yīng)力及大開口結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案進(jìn)行了對比分析。

1 載人艙主參數(shù)

觀光潛水器載客23人，最大下潛深度為50 m，設(shè)計12.5 m超深余量，總計62.5 m，0.625 MPa，計算壓力取最大壓力1.5倍，即0.937 5 MPa進(jìn)行強(qiáng)度校核。

載人艙結(jié)構(gòu)由耐壓筒體（板厚16 mm）、封頭（板厚16 mm）、尾艙口圍壁（板厚20 mm）、首艙口圍壁（板厚26 mm）、首尾穿艙鍵盤圍壁（板厚16 mm）和11個觀察窗窗座組成，除觀察窗窗座材料為 022Cr17Ni12Mo2外，其它結(jié)構(gòu)材料均為AH36/DH36船用鋼板，為方便乘客進(jìn)出載人艙，首艙口圍壁設(shè)計成傾斜 65°折角型。載人艙全模型如圖1所示。

表1 材料機(jī)械性能

2 規(guī)范校核

2.1 圓柱筒體

圓柱殼體艏艉與封頭連接，總長L（mm）應(yīng)增加2×40%封頭深度：

L=12 326.4

1）強(qiáng)度校核

相鄰肋骨中點處殼板的周向平均應(yīng)力為

肋骨處殼板軸向應(yīng)力為

式中：K1、K2為系數(shù)，由參數(shù)μ、β查圖[5]決定；t為耐壓殼體板厚，mm；pj為計算壓力，MPa；R為耐壓殼體半徑，mm。

式中：l為肋骨間距，取700 mm；R為圓柱殼體平均半徑，取1 408 mm；t為殼板厚度，取16 mm；F為肋骨剖面面積，取1 800 mm2。

將上述數(shù)據(jù)代入式（3）中，并查圖[5]可得：K1=1.042，K2=1.045。

從而得到相鄰肋骨中點處殼板的周向平均應(yīng)力σ1（MPa）為

σ1=85.965≤0.85σs=301.75

肋骨處殼板軸向應(yīng)力σ2（MPa）為

即圓柱殼體滿足強(qiáng)度要求。

2）屈曲校核

肋骨之間的殼板按式（4）計算其屈曲壓力為

式中：pcr為屈曲壓力，MPa；CS均由參數(shù)σe/σs查圖[5]確定。

式中：E為材料的彈性模量，取2.06×105，MPa。

計算可得：pe=6.07，=1.50。

查圖[5]可得：Cs＝0.69，所以pcr=3.14≥pj=0.937 5（MPa）。

則當(dāng)殼板厚度取16 mm時，滿足穩(wěn)定性要求。

2.2 封頭

鋼質(zhì)耐壓體球形封頭采用半球形封頭，R=1 408 mm，t=16 mm。

1）屈服校核

封頭殼板應(yīng)力為

殼板應(yīng)力σ（MPa）滿足：

即半球封頭滿足強(qiáng)度要求。

2）屈曲校核

球殼的屈曲壓力按下式計算：

式中：Cs、Cz均由參數(shù)查圖[5]確定，pe按式（9）計算：

式中：C為由比值t/R，查圖確定，t/R＝0.011，C取0.006 5。

則pe=7.31（MPa）

查圖[5]得，Cs＝0.63，Cz＝0.885，則：

根據(jù)上述計算，封頭滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。

2.3 開孔加強(qiáng)

1）尾出入艙口加強(qiáng)

尾出入艙口圍壁厚度t'=20 mm，高度h=970 mm，開孔半徑r=345 mm，則：

查圖[5]得：δ≥1.5，取最保守情況δ=1.5進(jìn)行計算。

則尾出入艙口圍壁加強(qiáng)強(qiáng)度：

查圖[5]得Kσ=2.11。

開孔加強(qiáng)滿足強(qiáng)度要求。

2）首出入艙口加強(qiáng)

首出入艙口圍壁厚度t'=26 mm，高度h=1 060 mm，開孔半徑r=522 mm，則：

查圖[5]得：δ≥1.5，取最保守情況δ=1.5進(jìn)行計算。

則首出入艙口圍壁加強(qiáng)強(qiáng)度為

查圖得Kσ=2.23。

開孔加強(qiáng)滿足強(qiáng)度要求。

3 有限元強(qiáng)度校核

由于耐壓殼體為對稱結(jié)構(gòu)，建立1/2對稱模型，殼體外表面施加1.5倍水壓0.937 5 MPa，在尾部艙蓋接觸面施加轉(zhuǎn)換壓力2.441 MPa，首部艙蓋接觸面施加轉(zhuǎn)換壓力3.342 MPa，有機(jī)玻璃窗座密封面施加轉(zhuǎn)換壓力2.562 MPa，電氣穿艙法蘭面施加轉(zhuǎn)換壓力2.143 MPa，對稱面施加對稱邊界條件，基座底部設(shè)置為固定。載人艙邊界條件即轉(zhuǎn)換壓力設(shè)置，如圖2所示。

圖2 載人艙邊界條件及加載

首艙口開孔直徑較大，潛艇增強(qiáng)艙口圍壁抗壓強(qiáng)度使用的方法一般是在艙口圍壁內(nèi)部十字增加橫梁，本文采用ansys軟件分別對首艙口圍壁不增加任何加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、艙口圍壁內(nèi)部增加十字橫梁、艙口圍壁前后左右各增加一塊軸板這3種設(shè)計進(jìn)行有限元計算，從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和舒適性方面并進(jìn)行比較，選擇最合適的設(shè)計。計算結(jié)果如圖3～圖5所示。

從圖2和圖4可以看出，首艙口大開口圍壁無結(jié)構(gòu)加強(qiáng)時最大應(yīng)力為286.24 MPa，艙口圍壁前后左右各增加一塊軸板時最大應(yīng)力為275.5 MPa，位于首出入艙口圍壁與載人艙筒體的交接處，艙口圍壁內(nèi)部增加十字橫梁時最大應(yīng)力為205.11 MPa，應(yīng)力均小于σ1≤0.85σs=301.75（MPa），首尾出入艙口開孔強(qiáng)度均滿足要求。

圖3 首艙口圍壁不增加任何加強(qiáng)結(jié)構(gòu)載人艙應(yīng)力云圖

圖4 首艙口圍壁四周增加軸板載人艙應(yīng)力云圖

圖5 首艙口圍壁四周增加十字橫梁載人艙應(yīng)力云圖

考慮觀光潛水器為民用設(shè)備，經(jīng)常有乘客進(jìn)出，需考慮其舒適性和可操作性，選擇在首艙口圍壁前后左右各增加一塊軸板設(shè)計作為結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

4 結(jié)論

本文分別采用規(guī)范和有限元計算2種方法對觀光潛水器大開口載人艙強(qiáng)度進(jìn)行了分析，其中設(shè)計了2種大開口結(jié)構(gòu)加強(qiáng)形式。通過計算結(jié)果的對比分析，可以得出以下結(jié)論：

1）本文設(shè)計的觀光潛水器載人艙結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范對耐壓強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求；

2）從大開口結(jié)構(gòu)加強(qiáng)形式計算對比發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后，最大應(yīng)力明顯減小，受外壓力結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行加強(qiáng)效果更好；

3）在觀光潛水器結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中除考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求外，還需考慮舒適性和可操作性。