□ 閆 楓 □ 付 平 □ 熊學(xué)軍

1.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 山東青島 266061

2.自然資源部第一海洋研究所 山東青島 266061

1 設(shè)計(jì)背景

深海水壓高,要求潛標(biāo)系統(tǒng)觀測儀器的電池艙具有強(qiáng)耐壓性和優(yōu)良的防水密封性。深海潛標(biāo)系統(tǒng)的觀測儀器需要長期水下工作,僅僅依靠觀測儀器自身的電源,無法滿足長時(shí)間工作的要求。為觀測儀器設(shè)置外接電源,將其封裝到電池艙內(nèi),作為附加電源,可以延長觀測儀器的工作周期。對此,設(shè)計(jì)了深海潛標(biāo)系統(tǒng)電池艙。

2 電池艙尺寸

深海潛標(biāo)系統(tǒng)放置于水下約1 800 m深度的位置,為使電池艙滿足深海潛標(biāo)系統(tǒng)觀測儀器的工作要求,設(shè)計(jì)其在最大水深2 000 m的環(huán)境中工作,電池艙的最大工作壓力為20 MPa。

考慮電池艙使用過程中存在的不安全因素,電池艙艙體按計(jì)算壓力進(jìn)行設(shè)計(jì),計(jì)算壓力取1.5倍最大工作壓力[1],即30 MPa。

電池艙筒體采用黃金分割比進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]?？紤]電池組與保溫材料等因素,電池艙筒體為圓筒形。設(shè)筒體高為h,外徑為d,壁厚為δ,為便于電池組容量和設(shè)備浮力控制,需要較大的筒體外徑和較小的筒體壁厚;但為了抵抗深海高壓,筒體外徑越小越好,筒體壁厚越大越好。綜合兩方面因素,電池艙筒體徑高比以滿足黃金分割比為宜,即d/h為0.618。

根據(jù)高能效電池艙筒體特征,按2 000 m水壓進(jìn)行筒體強(qiáng)度計(jì)算,確定筒體外壁厚度為10 mm。根據(jù)保溫材料特性和熱穿透過程計(jì)算電池組集成尺寸,考慮電池艙內(nèi)最大容量兼容可能,確定內(nèi)艙直徑d1為156 mm。電池艙筒體外徑d等于2δ+d1,為176 mm。筒體高h(yuǎn)等于d/0.618,為284.78 mm。確定電池艙艙底為平底狀,按兩側(cè)150%外壁厚度加厚,確定電池艙艙底外壁厚度h1為15 mm。確定電池艙艙蓋為法蘭式,外徑比筒體大20 mm。電池艙艙蓋外壁邊緣厚度為20 mm,電池艙艙蓋厚度為30 mm。電池艙內(nèi)部凈高為239.77 mm。電池艙整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,電池艙筒體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

▲圖1 電池艙整體結(jié)構(gòu)

▲圖2 電池艙筒體結(jié)構(gòu)

3 強(qiáng)度校核

3.1 電池艙筒體

深海裝備材料應(yīng)采用具有高比強(qiáng)度、高比剛度的合金材料或非金屬材料。設(shè)計(jì)時(shí)對深海裝備用材料TC4ELI鈦合金、6061鋁合金、TC1鈦合金、S32550雙相不銹鋼[3-5]四種金屬材料進(jìn)行分析,四種材料的性能及參數(shù)見表1。

表1 材料性能參數(shù)

比較發(fā)現(xiàn),TC4ELI鈦合金的許用應(yīng)力最大,強(qiáng)度最高,并且密度小,同體積情況下質(zhì)量最輕?？紤]電池艙能夠重復(fù)使用,需要為深海潛標(biāo)系統(tǒng)觀測儀器提供充足的電量,選用TC4ELI鈦合金材料制作電池艙。

電池艙筒體尺寸應(yīng)滿足強(qiáng)度校核要求,有[6]:

(1)

式中:p為計(jì)算壓力;[σ]為許用應(yīng)力。

d1/d≤Y

(2)

計(jì)算得d1/d為0.886,Y為0.954,d1/d小于Y,電池艙筒體尺寸滿足材料強(qiáng)度校核要求。

電池艙計(jì)算壓力應(yīng)滿足:

(3)

計(jì)算得p不大于77.05 MPa,即電池艙筒體可以承受7 705 m深度的水壓,完全符合承壓要求。

3.2 電池艙艙蓋

電池艙艙蓋設(shè)計(jì)為圓形平蓋,參照GB 150—2011《壓力容器》中的平蓋來計(jì)算厚度[7]。當(dāng)電池艙艙蓋沒有開孔時(shí),電池艙艙蓋厚度δp為:

(4)

式中:Dc為電池艙艙蓋計(jì)算直徑;K為電池艙艙蓋結(jié)構(gòu)特征因數(shù);[σt]為設(shè)計(jì)溫度下電池艙艙蓋材料的許用應(yīng)力;φ為焊接接頭因數(shù),取φ為1.0。

電池艙艙蓋需要開多個圓孔,可以采用加厚電池艙艙蓋的方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。這一方法的適用條件為,電池艙艙蓋危險(xiǎn)截面上的各開孔寬度總和不大于d1/2,任意相鄰兩孔的中心距大于兩孔平均直徑的1.5倍且不大于2倍。

在按照式(4)計(jì)算電池艙艙蓋厚度時(shí),式中的電池艙艙蓋結(jié)構(gòu)特征因數(shù)K應(yīng)考慮開孔削弱影響,開孔削弱因數(shù)ν為:

ν=(Dc-∑b)/Dc

(5)

式中:∑b為電池艙艙蓋危險(xiǎn)徑向截面上各開孔寬度的總和。

對于電池艙艙蓋結(jié)構(gòu)特征因數(shù)K的取值,當(dāng)K小于0.3且K/ν不大于0.5時(shí),K取為K/ν;當(dāng)K不小于0.3且0.3/ν不大于0.5、0.3/ν大于K時(shí),K取為0.3/ν;其余情況K取為原值。

根據(jù)電池艙設(shè)計(jì)需求,在電池艙艙蓋上布置四個螺紋孔,在電池艙艙蓋中間布置一個水密插件孔。螺紋孔的直徑為6 mm,水密插件細(xì)牙螺紋的外徑為11.079 mm,底徑為10.874 mm。電池艙艙蓋開孔總寬度∑b為35.079 mm,電池艙的內(nèi)徑d1為156 mm,因此電池艙艙蓋的厚度按照加厚電池艙艙蓋補(bǔ)強(qiáng)的方法來確定。將Dc為196 mm、∑b為35.079 mm代入式(5),可得開孔削弱因數(shù)ν為0.821。原電池艙艙蓋結(jié)構(gòu)特征因數(shù)K為0.25,通過計(jì)算,得K/ν為0.304 5,不大于0.5,因此,K取0.304 5。最后計(jì)算得到電池艙艙蓋的厚度δp為22.22 mm。

電池艙艙蓋與筒體都需承受水下20 MPa的壓力,電池艙的徑高比滿足黃金分割比,涉及密封圈、水密插件孔、螺紋孔,取電池艙艙蓋厚度為30 mm,材料為TC4ELI鈦合金。電池艙艙蓋結(jié)構(gòu)如圖3所示。

▲圖3 電池艙艙蓋結(jié)構(gòu)

4 密封圈設(shè)計(jì)

電池艙的密封設(shè)計(jì)為靜密封,使用徑向和軸向兩種密封方式。電池艙艙蓋和筒體采用軸向密封與徑向密封相結(jié)合的形式,使用雙重密封結(jié)構(gòu),能夠大大提高電池艙的密封能力。接合部位用O形密封圈進(jìn)行密封,這樣做的優(yōu)點(diǎn)是電池艙拆裝方便,密封能力隨工作壓力的增大而提高,結(jié)構(gòu)簡單,壽命長,成本低,適用范圍廣泛[8]。

O形密封圈材料選用丁腈橡膠,丁腈橡膠具有優(yōu)良的耐油、耐水、耐高低溫、耐磨、壓縮變形及加工性能。根據(jù)GB/T 3452.1—2005《液壓氣動用O形密封圈 第1部分:尺寸系列及公差》 ,選定軸向密封O形密封圈內(nèi)徑為160 mm,線徑為3.55 mm;徑向密封O形密封圈內(nèi)徑為147.5 mm,線徑為3.55 mm。

5 電池艙筒體穩(wěn)定性校核

對電池艙筒體進(jìn)行穩(wěn)定性校核時(shí),首先需要判斷筒體的分類,確定電池艙臨界長度Lcr:

(6)

當(dāng)筒體高h(yuǎn)不小于Lcr時(shí),筒體確定為長圓筒,失穩(wěn)臨界壓力Pcr為:

Pcr=2.2E(δ/d)3

(7)

式中:E為材料彈性模量。

當(dāng)筒體高h(yuǎn)小于Lcr時(shí),筒體確定為短圓筒,失穩(wěn)臨界壓力Pcr為:

(8)

電池艙許用壓力[P]為:

[P]=Pcr/m

(9)

式中:m為穩(wěn)定安全因數(shù),取m為3[7]。

當(dāng)計(jì)算壓力p小于許用壓力[P]時(shí),筒體可以保持穩(wěn)定。

將參數(shù)代入式(6),可以得到電池艙臨界長度為863.8 mm。筒體高為264.77 mm,小于電池艙臨界長度,所以判斷筒體為短圓筒,按照式(8)進(jìn)行穩(wěn)定性校核,可求得臨界壓力為170.86 MPa。

最終計(jì)算得到許用壓力[P]為56.95 MPa,大于20 MPa。因此,在水深2 000 m的高壓環(huán)境下,電池艙筒體不會發(fā)生失穩(wěn)。

6 有限元分析

6.1 電池艙筒體

在SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件中完成對電池艙筒體的建模,將裝配好的模型導(dǎo)入Workbench有限元分析軟件,對電池艙在深海環(huán)境下的應(yīng)力分布情況進(jìn)行仿真,具體步驟如下[9]:

(1) 打開項(xiàng)目Engineering Data,定義材料屬性;

(2) 定義單元類型,包括Solid 185單元、Solid 186單元、Solid 187單元、Solid 285單元;

(3) 使用Mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分,采用六面體網(wǎng)格,網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示;

▲圖4 網(wǎng)格劃分結(jié)果

(4) 對電池艙外表面施加20 MPa面載荷,取安全因數(shù)為1.5;

(5) 在電池艙筒體Y坐標(biāo)軸的正負(fù)位置上取兩個節(jié)點(diǎn),施加約束,使X向和Z向位移為零;

(6) 讀取校核數(shù)值與結(jié)構(gòu)最大位移,繪制筒體變形云圖和應(yīng)力云圖,分別為如圖5、圖6所示。

由圖5可知,筒體側(cè)面變形量由中心向兩側(cè)逐漸減小,最大變形量位于中心部分,為0.28 mm;筒體底部變形量由中心向四周逐漸減小,底部中心位置變形量最大,為0.86 mm,是最大外形直徑尺寸的0.4%,滿足筒體的剛度使用要求。

▲圖5 電池艙筒體變形云圖

▲圖6 電池艙筒體應(yīng)力云圖

由圖6可知,筒體側(cè)面應(yīng)力由中間位置向兩側(cè)逐漸減小,最大應(yīng)力位于中心部分,約為248.23 MPa;筒體底部應(yīng)力由中心位置向四周逐漸減小,底部中心位置應(yīng)力最大,為444.22 MPa,在TC4ELI鈦合金許用應(yīng)力范圍內(nèi),滿足強(qiáng)度要求。

通過有限元分析可以確認(rèn),筒體在模擬工作環(huán)境20 MPa壓力下,最大變形量為0.86 mm,最大應(yīng)力為444.22 MPa,未超過TC4ELI鈦合金的最大許用應(yīng)力,所以TC4ELI鈦合金可以用于加工電池艙筒體。

6.2 電池艙艙蓋

對電池艙艙蓋進(jìn)行有限元分析,求解應(yīng)力和變形。

電池艙艙蓋變形云圖如圖7所示。由圖7可知,電池艙艙蓋變形量由中心位置向四周逐漸減小,四個螺紋孔變形量為0.05 mm;最大變形位置為電池艙艙蓋中心,最大變形量為0.09 mm,為最大外形直徑尺寸的0.4‰,電池艙艙蓋剛度滿足使用要求。

電池艙艙蓋應(yīng)力云圖如圖8所示。由圖8可知,電池艙艙蓋應(yīng)力由中間位置向邊緣逐漸減小,螺紋孔位置所受應(yīng)力較大,為96.52 MPa;密封槽位置所受應(yīng)力大于螺紋孔位置,為168.71 MPa;電池艙艙蓋中心應(yīng)力最大,為216.83 MPa。三處位置所受最大應(yīng)力均在TC4ELI鈦合金許用應(yīng)力范圍內(nèi),滿足強(qiáng)度要求。

▲圖7 電池艙艙蓋變形云圖

▲圖8 電池艙艙蓋應(yīng)力云圖

通過有限元分析確認(rèn),電池艙艙蓋在模擬工作環(huán)境20 MPa壓力下,最大變形量為0.09 mm,最大應(yīng)力為216.83 MPa,未超過TC4ELI鈦合金的最大許用應(yīng)力,所以TC4ELI鈦合金可以用于加工電池艙艙蓋。

6.3 O形密封圈

對電池艙的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,驗(yàn)證O形密封圈裝配后的密封可靠性[10]。O形密封圈的材質(zhì)為丁腈橡膠,橡膠是非線性材料,并且密封結(jié)構(gòu)的邊界條件復(fù)雜,因此采用非線性分析來驗(yàn)證O形密封圈的密封性能。

設(shè)置O形密封圈的材料屬性為軟性材料,電池艙艙體與筒體的材料屬性為硬性材料。對筒體施加固定約束,對電池艙艙蓋的上邊線施加位移約束,X向?yàn)榱?Y向?yàn)? mm,Z向?yàn)榱?。O形密封圈的應(yīng)力云圖如圖9所示,O形密封圈的接觸應(yīng)力圖如圖10所示。

完成O形密封圈安裝后,電池艙在模擬工作環(huán)境20 MPa壓力下,O形密封圈最大應(yīng)力為0.99 MPa,位于O形密封圈與密封槽接觸的底部位置;最大接觸應(yīng)力為0.90 MPa,位于O形密封圈與密封槽接觸的底部位置及O形密封圈與電池艙艙蓋的接觸位置。當(dāng)接觸應(yīng)力小于施加的壓力時(shí),可滿足密封要求,因此在電池艙艙蓋和筒體安裝后,密封槽尺寸與選用的O形密封圈滿足使用要求。

▲圖9 O形密封圈應(yīng)力云圖

▲圖10 O形密封圈接觸應(yīng)力圖

7 結(jié)束語

筆者為深海潛標(biāo)系統(tǒng)觀測儀器設(shè)計(jì)了一種徑高比滿足黃金分割比的電池艙,按照壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,對電池艙進(jìn)行選材、強(qiáng)度計(jì)算和穩(wěn)定性校核,然后利用Workbench有限元分析軟件對電池艙的強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析,最終確定使用TC4ELI鈦合金材料加工制作電池艙。將電池組封裝到電池艙中,為深海潛標(biāo)系統(tǒng)觀測儀器供電,能夠延長觀測儀器的工作時(shí)間,有助于探索未知的海洋世界。