深海耐压结构观察窗应力分析

刘道启，胡 勇，田常录，崔维成

（1北京交通大学，北京100044；2中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082；3江南大学机械学院，江苏 无锡 214122）

1 引 言

深海资源的探测与开发必须以深海装备的研制为前提。世界主要海洋大国均在大力发展各类深海探测与开发装备。而耐压开口结构的设计是这类深海载人潜水器结构设计的关键技术。例如，我国的"和谐号"载人深潜器的工作深度为7000m[1]，载人球开口结构主要有观察窗和人员出入舱口两种。观察窗材料性能不同于金属材料，在高海水压力作用下，观察窗玻璃随着时间的推移逐渐产生蠕变变形。这种蠕变变形与受压时间、外载荷、有机玻璃材质、观察窗与金属窗座之间的接触几何形式、接触面的润滑状态等因素均有关系。在掌握窗玻璃的蠕变特性条件下，方可进行载人球窗座设计。否则可能出现观察窗挤出窗座或者在蠕变过程中变形不协调使得密封失效，从而带来安全隐患。因此，观察窗的设计不仅涉及到强度问题，还涉及到蠕变问题、密封问题和接触边界等问题。

文献[1]针对大深度载人潜水器的观察窗，采用计算分析和试验研究两种手段对大深度潜水器观察窗的蠕变特性进行了研究，积累了一些工程经验，它为类似深海耐开口结构的设计提供了工程方面的参考。本文在文献[1]的基础上，针对大深度潜水器观察窗的受力形式进行了理论方面的探索，推导获得了观察窗应力分析的理论方法和计算公式。

2 观察窗的设计概况

对于“和谐号”，其载人球内直径2.1m，设有一只透光直径为200mm的主观察窗和两只透光直径为120mm的侧观察窗，见图1。

主、侧观察窗都采用45°锥体结构。观察窗与窗座的密封设置在观察窗外侧面的边缘，通过固定压环压紧密封圈。观察窗的锥形面和窗座锥形面均进行了打磨处理，接触边界非常光滑，摩擦系数很小，约为f=0.1。观察窗与窗座之间是面—面接触，对于有机玻璃材料制成的观察窗，接触面上的钛合金观察窗窗座可以设定为刚性体，观察窗为粘弹性体材料。

在深海装备研制过程中，大深度耐压结构设计的一个共同特点是在壳体（一般为球或柱锥）主体结构上设有观察窗等较大的开口。由于深海潜水器耐压壳体是按弹塑性极限设计的，因而需要对开口壳体结构整体和局部进行弹塑性变形分析。研究内容包括优化窗口盖座开孔结构形式、优化密封口盖结构形式和孔口加强形式，尽量减小局部应力突变，最大限度地保证完整壳体受力形式不受局部开口的影响，防止窗座发生明显的永久变形等。所以，深海耐压结构观察窗的应力分析是耐压开口结构设计的基础工作。观察窗的应力分析之目的是优化观察窗的结构、从而获得深海耐压开口结构极限强度和开口加强的理论计算公式和分析方法。

3 观察窗受力分析

3.1 观察窗侧向压应力和摩擦剪应力

用D1，D2和h分别表示为观察窗外、内直径和厚度，α为锥体倾角。由于接触边界非常光滑，假设圆锥台的应力均匀分布，在边缘极小范围内过渡到0，将过渡段的应力忽略不计。接触正压力和摩擦剪应力分别为σN和τf，受力如图2所示，其中q为潜水器外压。

圆锥台的表面积为：

则由锥台平衡可得：

因而接触正压力为：

由上式和（3）式可得：

3.2 观察窗轴向应力

取一段高为z的锥台，受力图见图3。由锥台平衡可得：

其中高为z的锥台表面积：

则观察窗轴向应力为：

引入无量纲坐标σz/q和z/h，则有：

对于“和谐号” 观察窗（图 1），有 α=π/4，侧观察窗 h=130，D1=380，主观察窗 h=220，D1=640。 代入（9）式，其分布如图 4。

由于“和谐号”主、侧观察窗几何尺寸和受力形式都相似，在无量纲坐标z/h下，图4中主、侧观察窗无量纲轴向应力σz/q完全相同。

3.3 观察窗径向应力

由于是轴对称问题，径向应力必然是均布，取斜面一点，应力状态见图5。由平衡可得：由

上式和（4）式可得：

对于“和谐号”二观察窗（图 2）有α=π/4， f=0.1，侧观察窗有h=130，D1=380，主观察窗有 h=220，D1=640。无量纲后，主、侧观察窗的径向应力都为：

可见，主、侧观察窗无量纲轴径向应力相同。

至此，观察窗的侧向压应力、摩擦剪应力、轴向应力、径向应力可分别由（4a）、（4b）、（9）、（11）4 个表达式计算。改变观察窗的5个参数（即锥度α、摩擦系数f，外表面直径D1，厚度h），可以分析观察窗应力状态随这些参数的变化情况，从而可从理论上对观察窗的结构进行优化设计。

对于“和谐号”二观察窗（图1），由于观察窗几何尺寸和受力形式相似，在无量纲坐标z/h中，主、侧观察窗无量纲径向应力和轴向应力（见上节）完全相同。但对于其它一般情况，应由（4a）、（4b）、（9）、（11）4个表达式分别计算分析。

基于（4a）、（4b）、（9）、（11）4 个表达式，可展开耐压开口壳体结构的弹塑性变形分析，进一步可给出这类结构的极限强度和开口加强计算理论表达式。然后，参考现有的分析和计算方法（如其它相关理论研究、潜水器规范等[3-13]），以该计算式为基础来研究窗座开孔、密封口盖和孔口加强形式的优化方法以及减小局部应力突变等问题。

4 结 论

本文针对大深度载人潜水器的观察窗，给出了观察窗应力的理论计算方法。该计算方法以观察窗锥度、摩擦系数，外表面直径、内表面直径，厚度等为基本参数，可统一计算不同形式观察窗的应力，从而为深海潜水器观察窗这类结构优化奠定了一定的理论基础。本文研究结果作为深海耐压开口壳体接触界面变形协调与水密技术研究的一部分，可为深海耐压开口结构优化设计和相关技术标准的制定提供理论基础。

[1]刘道启,胡 勇,王 芳,田常录,崔维成.深海载人潜水器观察窗的蠕变特性[C].全国船舶力学会议.南京,2009.

[2]张志林.飞机座舱透明件设计理论及应用[D].南京:南京航空航天大学,2005.

[3]中国船级社.潜水系统和潜水器入级与建造规范[S].北京:人民交通出版社,1996.

[4]DNV潜水器规范[S].1989.

[5]LYODS潜水器规范[S].1990.

[6]ABS潜水器规范[S].1990.

[7]刘 涛.大深度潜水器耐压壳体弹塑性稳定性简易计算方法[J].中国造船,2001(3):8-14.

[8]陆 蓓,刘 涛,崔维成.深海载人潜水器耐压球壳极限强度研究[J].船舶力学,2004,8(1):51-58.

[9]刘 涛,胡 勇.大直径钛合金耐压球壳的极限承载能力研究[R].无锡:中国船舶科学研究中心科技报告,2007.

[10]刘 涛.深海载人潜水器耐压球壳设计特性分析[J].船舶力学,2007,11(2):214-220.

[11]朱继懋.潜水器设计[M].上海:上海交通大学出版社,1991.

[12]胡 勇,张锦飞,崔维成.救生钟对接密封能力研究[J].船舶力学,2007,11(2):221-230.

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