魏振卓,徐元哲,王連明
(1.東北師范大學(xué)物理學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130024;2.海南熱帶海洋學(xué)院海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,海南 三亞 572022;3.海南熱帶海洋學(xué)院海洋信息工程學(xué)院,海南 三亞 572022)
隨著人類對(duì)海洋開發(fā)力度的增大,水下設(shè)備在獲取海洋信息、加速海洋資源開發(fā)利用方面起著越來越重要的作用[1].耐壓艙為水下設(shè)備的電子系統(tǒng)提供干燥密閉的工作環(huán)境[2],保障其可以安全、穩(wěn)定、持久的工作.因此,耐壓艙的設(shè)計(jì)在水下設(shè)備的設(shè)計(jì)中占有重要地位.
耐壓艙主要由端蓋與筒體組成[3],在實(shí)際工程中,其外形設(shè)計(jì)需依據(jù)耐壓艙的抗壓要求、工作機(jī)制和安裝方式進(jìn)行合理選擇.常使用的外形有半球形封頭圓柱殼體、球形殼體、橢圓形殼體和方形等[4].針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景,耐壓艙的制作可以選擇金屬材料或非金屬材料.本文依據(jù)耐壓艙不同工作深度的設(shè)計(jì)要求,從耐壓艙的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、密封方式和實(shí)現(xiàn)難易程度上進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析,使用有限元仿真分析的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證[5],提出耐壓艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的通用方法.
同等容積下,相比于其他形狀,圓柱體具有耐壓性能好、軸向水下迎流系數(shù)較小、便于機(jī)械加工制造等優(yōu)點(diǎn)[6],因此在耐壓艙的設(shè)計(jì)中備受青睞.
常見圓柱體雙端蓋耐壓艙基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由端蓋與筒體組成.端蓋與筒體間常使用雙O型密封圈完成密封,使用螺釘進(jìn)行固定配合.該結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn):(1)筒體的兩端蓋使用水密螺絲與外界相通,便于調(diào)試、安裝與維護(hù).(2)圓柱形耐壓殼體的設(shè)計(jì)便于機(jī)械加工和耐壓艙實(shí)際安裝.(3)雙O型密封圈可實(shí)現(xiàn)擠壓密封,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封效果好、應(yīng)用廣泛,并且O型密封圈有成型的系列產(chǎn)品,便于購(gòu)買和使用.
耐壓艙的筒體與雙端蓋使用O型密封圈實(shí)現(xiàn)防水密封,該種密封方式屬于擠壓密封的一種(如圖1所示).在密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中,常使用氟橡膠密封圈和丁腈橡膠密封圈[7],其密封效果與密封圈的壓縮量和拉伸量有關(guān);壓縮量過小,不能達(dá)到較好的密封效果,存在安全隱患;壓縮量過大,會(huì)使得密封圈損壞變性,不能重復(fù)使用[7].同樣,當(dāng)O型密封圈的拉伸量過大的時(shí),會(huì)降低密封圈的彈性,造成耐壓艙的泄露.一般在使用O型密封圈進(jìn)行密封設(shè)計(jì)時(shí)其壓縮量控制在15%~30%為宜[8].O型密封圈的壓縮量的計(jì)算公式為
(1)
拉伸量計(jì)算公式為
(2)
式中:d0表示密封圈的截面直徑(mm);α為密封圈的拉伸量;d為軸徑(mm);d1為密封圈的內(nèi)徑(mm);H0為密封溝槽深度(mm).
圖1 耐壓艙結(jié)構(gòu)示意圖
依據(jù)耐壓艙筒體壁厚的設(shè)計(jì)不同,密封圈、密封溝槽與端蓋有多種配合方式,常見的配合方式如圖2所示.
圖2 雙O型密封圈安裝方式
水下設(shè)備的工作環(huán)境較為惡劣,對(duì)設(shè)備的耐腐蝕性、抗壓性能、體積與質(zhì)量等方面有著嚴(yán)格的要求.因此,選用合適的材料對(duì)耐壓艙的制作至關(guān)重要.表1是耐壓艙常見材料的力學(xué)性能參數(shù).
有機(jī)玻璃(Polymethyl Methacrylate,PMMA)全稱為聚甲基丙烯酸甲酯,是一種應(yīng)用非常廣泛的熱塑性塑料,具有高透明度、價(jià)格較低和便于加工的優(yōu)點(diǎn),常被用于制造水下攝像機(jī)和水下燈光的防水罩.在金屬材料中,鋁合金密度較小,易于設(shè)備加工、制造,材料成本較低,經(jīng)陽極氧化處理之后具有較好耐腐蝕性能.不銹鋼相較于鋁合金具有較大的剛度和強(qiáng)度,其耐壓性能、焊接性能較好,但是密度較大,常被用于框架設(shè)計(jì).在水下設(shè)備的制造中,鈦合金是一種較為理想的金屬材料,其具有較好的強(qiáng)度和剛度,密度介于鋁合金與不銹鋼之間,非常適合用于水下設(shè)備的制造,不足之處是材料與加工成本較高,焊接性能較差,不適合大量使用.
為確保水下設(shè)備的電子系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,耐壓艙在工作時(shí)不能出現(xiàn)變形或者破裂.因此,需要對(duì)耐壓艙體所能承受的極限載荷進(jìn)行分析和計(jì)算,并指導(dǎo)耐壓艙的設(shè)計(jì)與制造.耐壓艙在水下所受外壓如圖3所示.
圖3 耐壓艙受外壓示意圖
耐壓艙實(shí)際工作時(shí),其內(nèi)部壓力小于外部壓力,屬于外壓容器[9].在海水壓力的作用下,耐壓艙筒體有可能發(fā)生褶皺或變形,失去原有的機(jī)械結(jié)構(gòu),這種現(xiàn)象稱為失穩(wěn)[10].在徑向壓力的作用下,耐壓艙可能發(fā)生側(cè)向失穩(wěn);在軸向壓力的作用下,耐壓艙可能產(chǎn)生軸向失穩(wěn).因此,在耐壓艙的設(shè)計(jì)中,需要計(jì)算其臨界壓力,提高耐壓艙工作的穩(wěn)定性.圓柱形外壓容器分為長(zhǎng)圓筒與短圓筒,兩者計(jì)算臨界壓力的方式不同.判斷圓柱形外壓容器類型的公式[11]為
(3)
式中:Lcr為計(jì)算臨界長(zhǎng)度;D0為外壓圓筒的外徑;δe為耐壓艙設(shè)計(jì)壁厚.設(shè)計(jì)長(zhǎng)度L≥Lcr時(shí)其屬于長(zhǎng)圓筒,反之則屬于短圓筒.以上各量均以mm為單位.
短圓筒的臨界壓力計(jì)算公式[12]為
(4)
長(zhǎng)圓筒的臨界壓力計(jì)算公式[12]為
(5)
式中:Pcr為計(jì)算臨界壓力,單位為MPa;E為材料的彈性模量,單位為MPa;μ為材料的泊松比;D0為筒體的外直徑,單位為mm;δe為設(shè)計(jì)的圓筒壁厚,單位為mm.
在指定耐壓艙的材料、艙體長(zhǎng)度、壁厚與外徑時(shí),可以計(jì)算其臨界壓力.實(shí)際在耐壓艙設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)的臨界壓力對(duì)實(shí)際工作壓力應(yīng)該有一定的冗余,使用安全系數(shù)S度量冗余程度,安全系數(shù)定義為
(6)
式中:S為安全系數(shù);Pcr為計(jì)算臨界壓力(MPa);Pc為耐壓艙設(shè)計(jì)工作壓力(MPa).
依據(jù)德國(guó)勞式規(guī)范的要求[13],安全系數(shù)隨深度的增加而減少,但是其數(shù)值總是大于1,保證耐壓艙的設(shè)計(jì)臨界壓力大于實(shí)際工作壓力,提高耐壓艙在實(shí)際使用中的可靠性.安全系數(shù)隨深度變化的規(guī)律如表2所示.
表2 安全系數(shù)隨深度的變化規(guī)律
基于在耐壓艙設(shè)計(jì)深度、材料、內(nèi)徑與艙體長(zhǎng)度確定之后可以求解出滿足條件的壁厚數(shù)值.
由上述分析可知,耐壓艙端蓋在軸向壓力的作用下可能發(fā)生軸向失穩(wěn).為保證耐壓艙工作的穩(wěn)定性,需對(duì)端蓋厚度進(jìn)行計(jì)算.圓形端蓋的厚度計(jì)算公式[14]為
(7)
式中:δp為計(jì)算端蓋厚度,單位為mm;K為結(jié)構(gòu)特征系數(shù),對(duì)于圓形平蓋K=0.25;Dc為端蓋設(shè)計(jì)直徑,單位為mm;φ為焊接接頭系數(shù),對(duì)于無焊接接頭其數(shù)值為1;[σ]t為設(shè)計(jì)材料的屈服強(qiáng)度,單位為MPa.
在耐壓艙設(shè)計(jì)中,其設(shè)計(jì)耐壓載荷應(yīng)有一定冗余,設(shè)計(jì)仿真載荷計(jì)算公式[14]為
PT=1.25P.
(8)
式中:PT為仿真載荷,單位為MPa;P為設(shè)計(jì)壓力,單位為MPa.在應(yīng)力仿真前應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力校驗(yàn),進(jìn)行應(yīng)力校驗(yàn)公式為
(9)
圖4 有限元仿真分析流程
式中:σT為耐壓艙在仿真載荷下的應(yīng)力,單位為MPa;Di為耐壓艙內(nèi)直徑,單位為mm;PT為耐壓艙仿真載荷,單位為MPa;δe為耐壓艙設(shè)計(jì)壁厚,單位為mm.并且由于耐壓艙在水下工作,則應(yīng)該滿足
σT≤0.9φσp0.2.
(10)
式中:σp0.2圓筒材料在仿真條件下的屈服點(diǎn)(或0.2%屈服強(qiáng)度)(MPa);φ為圓筒的焊接接頭系數(shù).
為了校驗(yàn)?zāi)蛪号撛趯?shí)際工作中的可靠性,在應(yīng)力校驗(yàn)之后需要使用有限元仿真分析的方法求解所設(shè)計(jì)的耐壓艙的最大應(yīng)力與對(duì)應(yīng)深度的安全系數(shù),對(duì)設(shè)計(jì)做進(jìn)一步的驗(yàn)證.應(yīng)力仿真基于SolidWorks simulation模塊,有限元仿真分析流程如圖4所示.
通過對(duì)密封結(jié)構(gòu)、材料選擇、耐壓艙應(yīng)力、有限元仿真分析,提出水下設(shè)備耐壓艙的通用設(shè)計(jì)方法.具體設(shè)計(jì)過程如下:
(1) 確定設(shè)計(jì)需求,包含設(shè)計(jì)內(nèi)徑大小、艙體長(zhǎng)度和工作深度,設(shè)置初始壁厚δe;
(2) 依據(jù)(3)式判斷艙體類型,計(jì)算不同材料的臨界壓力Pcr和安全系數(shù)S;
(3) 判斷安全系數(shù)S是否符合表2中安全系數(shù)隨深度變化的規(guī)律;
(4) 更新δe=δe+1,重復(fù)(2)與(3)過程,進(jìn)行迭代計(jì)算,直至滿足表2要求;
(5) 依據(jù)(7)式計(jì)算端蓋厚度,對(duì)端蓋厚度做1.5倍加厚補(bǔ)強(qiáng)處理,提高抗壓性能;
(6) 選擇O型密封圈,依據(jù)(1)與(2)式計(jì)算密封圈的壓縮量與拉伸量,指導(dǎo)H0設(shè)計(jì);
(7) 基于有限元仿真分析的結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì),驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性與可靠性.
耐壓艙設(shè)計(jì)中需綜合考慮其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、密封方式與材料選擇.基于提出的方法可得到不同材料在滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)的機(jī)械結(jié)構(gòu),再結(jié)合對(duì)耐壓艙的體積、質(zhì)量、安裝方式與工作機(jī)制的需求,可以確定滿足實(shí)際需求的材料,最終完成耐壓艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).
以PMMA材料為例,設(shè)計(jì)耐壓艙的工作深度為100 m,設(shè)置初始壁厚為δe=4 mm,設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為230 mm,耐壓艙設(shè)計(jì)內(nèi)徑為110 mm,則知耐壓艙設(shè)計(jì)外徑D0=110+4×2=118 mm.由(3)式計(jì)算其臨界長(zhǎng)度為
(11)
由計(jì)算結(jié)果可知,實(shí)例設(shè)計(jì)的筒體屬于短圓筒,依據(jù)上文提出的方法基于δe=δe+1進(jìn)行迭代計(jì)算,依據(jù)(4)式求解臨界壓力為
(12)
使用不同材料在進(jìn)行耐壓艙的設(shè)計(jì)時(shí),其滿足表2的設(shè)計(jì)壁厚在不同深度下有所不同,依據(jù)上述方法可以得到不同材料在不同深度下最小壁厚要求(以步長(zhǎng)0.5 mm進(jìn)行迭代計(jì)算),結(jié)果如表3所示.
表3 不同材料在不同深度下壁厚數(shù)據(jù) mm
對(duì)端蓋厚度基于(7)式進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果為
(13)
對(duì)端蓋厚度做1.5倍加厚補(bǔ)強(qiáng)處理,則設(shè)計(jì)端蓋壁厚為11 mm.
由表3可知,相同深度下由金屬材料制造的耐壓艙其最小壁厚小于非金屬材料.因此,一般來說對(duì)于金屬材料其密封方式可使用圖2(b)的安裝方式,非金屬材料其密封方式可以使用圖2(a)的安裝方式.依據(jù)實(shí)例設(shè)計(jì)要求,針對(duì)不同材料,可得出符合設(shè)計(jì)深度下的耐壓艙筒體壁厚與端蓋壁厚的結(jié)果.
對(duì)于PMMA材料,在100 m設(shè)計(jì)深度下,由3.1節(jié)知其最小壁厚為δe=7 mm,依據(jù)(8)式得仿真載荷為1.25 MPa,則耐壓艙在仿真載荷下的壓力σT=10.45 MPa,滿足σT≤0.9×1×75×0.2=13.5 MPa,應(yīng)力校驗(yàn)滿足設(shè)計(jì)要求.有限元仿真結(jié)果如圖5所示.
圖5 應(yīng)力仿真結(jié)果與安全系數(shù)云圖(PMMA)
由圖5可知,耐壓艙最小安全系數(shù)為3.93,滿足表2中安全系數(shù)隨深度變化的規(guī)律.
耐壓艙作為水下設(shè)備的重要組成部分,由于工作環(huán)境較為惡劣,因此,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇至關(guān)重要.基于對(duì)耐壓艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇與密封方式的分析,提出通過迭代計(jì)算求解不同材料耐壓艙筒體壁厚的方法,利用該方法可以針對(duì)實(shí)際需求,完成圓柱體雙端蓋耐壓艙的筒體壁厚與端蓋厚度的設(shè)計(jì).設(shè)計(jì)完成后,采用有限元仿真方法驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可靠性與有效性.