载人深潜器观察窗的力学性能

刘道启，胡 勇，王 芳，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）

载人深潜器观察窗的力学性能

刘道启1，胡 勇2，王 芳2，田常录3，崔维成2

（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）

载人球是深海载人潜水器最为关键的部件。在设计过程中，要准确了解观察窗在使用工况下的蠕变变形过程和强度变化过程，据此开展窗座设计，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，或者载人球整体抗压能力的降低。文章通过计算分析和试验两种手段，对深海观察窗的强度、蠕变、边界条件的影响进行了研究。观察窗与窗座之间的相对位移，文中认为由两部分构成：一部分是观察窗玻璃随时间的蠕变变形，另一部分为观察窗与窗座在海水压力作用下发生的挤压变形。文中采用有限元方法进行接触分析，了解在不同边界摩擦系数下，观察窗因海水压力产生的挤压变形。从加工出来的观察窗产品中，任意抽取了两套侧观察窗和两套主观察窗进行试验研究。对理论计算与试验结果进行了对比分析，相关结果可供工程设计参考。

深海载人潜水器；观察窗；蠕变

1 引 言

“和谐号”载人潜水器是我国863重大科研专项。该潜水器的工作深度为7 000m，是世界上工作深度最深的载人潜水器。在此之前，我国从来没有研制过600m以上深度的载人潜水器。载人球是深海载人潜水器最为关键的部件。而载人球开口结构设计是载人球设计的关键。载人球开口结构主要有观察窗和出入舱口两种。观察窗材料性能不同于金属材料，在高压海水压力作用下，观察窗有机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，接触边界问题。观察窗的设计难度更大。本文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研究，并总结了相关工程经验，为类似深海结构的设计提供理论和工程参考。

2 观察窗的设计概况

“和谐号”的载人球内直径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且对称布置的侧观察窗，见图1。主观察窗厚度为220mm，采用45°锥体结构。侧观察窗的厚度为130mm，同样采用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尺寸相同，二者均进行了打磨处理，接触边界非常光滑。

本深海载人潜水器的观察窗采用有机玻璃材料。通过多组本体取样对母材进行了性能测试，获得了相关物理参数。表1为试验测量结果。

表1 观察窗的材料特性试验测量结果Tab.1 The view-port window’s material characteristics obtained by test

续表1

3 计算分析

3.1 观察窗与窗座的水压接触变形分析

观察窗与窗座之间的相对位移，主要由两部分构成，一部分是观察窗玻璃随时间的蠕变变形，另一部分为观察窗与窗座在海水压力作用下发生的挤压变形。对于挤压产生的变形，可以将金属窗座作为刚性体对待。观察窗与窗座之间随着压力增加，相互接触，观察窗在窗座上产生滑动位移。这里采用有限元方法进行接触分析，了解在不同边界摩擦系数下，观察窗因海水压力产生的挤压变形。

观察窗与窗座之间是面—面接触，钛合金观察窗窗座为主接触面并设定为刚性体，观察窗为从接触面并设定为柔性体，有限元模型如图2所示。根据结构的对称性，采用四分之一模型进行分析。

接触对之间的Kinematic接触条件认为：对于主接触体A的接触面Γs上的任意一点，从接触体B接触面Γc上在变形方向上的最近接触点可以通过它们之间的相对距离进行确定。其距离表达式为：

该式为非线性方程，可以通过牛顿—拉菲生方法求解。在t+Δt时刻，主从接触面之间的距离可以表达为：

图2 有限元模型Fig.2 FE model

其中t+ΔtN为t+Δt时刻的向接触体内的单位法向向量。上式可以由一线性表达来表达：

根据Koulomb摩擦法则，总的摩擦力与两种接触方式有关，一种接触方式为粘连接触，另一种接触方式为滑动接触，即：

其中0＜α≤1。最大粘连摩擦力fs′与滑动摩擦力相关，滑动摩擦系数μ与接触材料、加工表面、环境温度等相关。

图3是在工作深度7 000m（对应压力为p=71.6MPa）下，观察窗轴向位移与边界摩擦系数的关系计算结果。图4为7 000m工作深度下，观察窗边界最大Von Misses接触应力与摩擦系数的关系计算结果。对比图3和图4可以看出，观察窗的尺寸越大，边界摩擦系数对轴向位移和边界接触应力的影响越大。边界摩擦系数小，有助于观察窗的轴向自由滑动，使得观察窗的轴向位移增加，同时边界接触应力减少。光滑的窗玻璃和窗座接触面以及良好的边界润滑有助于减少边界接触应力。

3.2 观察窗蠕变产生变形

观察窗的制造材料为有机玻璃。有机玻璃材料是一种粘弹性体材料，在海水压力作用下会发生变形随时间增加的现象，即蠕变现象。这种现象的特征是变形、应力与外力不再保持一一对应关系。对于粘弹性材料的本构关系常见的有Maxwell模型、Kelvin模型、标准线性体模型、Burgers模型、多元件模型等等。

粘弹性模型中组成的元件增多，就能够更加准确地描述材料的实际特性，文献[1]通过系列试验数据得到在常温下有机玻璃蠕变的回归公式。

其中：ε为应变，εc为临界断裂应变，t为时间，tc为临界断裂时间。

εc和tc与应力水平密切相关。表2为不同应力水平下，拉伸试棒的临界断裂应变εc和临界断裂时间tc试验测试结果。

表2 有机玻璃应力水平与临界断裂应变、断裂时间试验结果Tab.2 The test results of critical fracture strain and fracture time under different stress level for organic glass

根据试验数据，在常温下εc和tc可以回归成下列计算公式：

将（4）、（5）式代入（3）式经过推导可得蠕变有机玻璃观察窗试验的应力—应变关系式：

（7）式的试验数据回归模型可以作为观察窗玻璃的本构模型。本观察窗边界与窗座边界的摩擦系数试验测量结果为0.1～0.15之间。在摩擦系数为0.1的边界条件下，观察窗随时间的蠕变计算结果见图5。

4 观察窗的试验研究

4.1 试验目的与试验方法

通过本试验，达到以下试验目的：

（1）考核观察窗结构的耐压强度；

（2）研究边界润滑对观察窗的影响；

（3）研究观察窗的蠕变特性；

（4）考核观察窗反复加压后的疲劳性能。

为了达到以上试验目的，采取了以下试验方法与试验程序：

（1）从加工出来的观察窗产品中，任意抽取了两套侧观察窗和两套主观察窗进行试验研究，编号分别为 B－01，B－02，L－01，L－02。采用对比试验的方式来分析各种因素对观察窗的影响。B-01和L-01观察窗在装配时与窗座之间进行不同润滑边界的装配，B-02和L-02观察窗在装配时喷涂润滑脂润滑，对比分析边界润滑对观察窗的影响；观察窗的工作压力为71.6MPa，试验压力为工作压力的1.25倍，即89.5MPa。通过试验压力来考核观察窗的结构强度；采用不同的加压速度与保压时间来分析观察窗的蠕变特性；通过保压来考核观察窗在工作深度下的蠕变特性，观察窗的试验要求见表3。观察窗窗座采用与7 000m载人潜水器载人球相同的耐压窗座结构，并设计了专用压力筒进行试验，如图7所示。

（2）试验前均进行了外观损伤检查。在89.5MPa的试验压力下保压15分钟测量应变。在71.6MPa工作压力下选取B-01保压6小时和L-02保压9小时检测其蠕变产生的轴向位移。在观察窗的上下表面分别贴了3对双向应变片。在观察窗的下表面圆心处安装位移传感器，测量观察窗的轴向位移。

图7 观察窗和窗座工装在压力筒内安装图Fig.7 Set-up of windows and fixture in test tank

表3 观察窗的试验要求Tab.3 Windows test program

4.2 试验结果

在观察窗的试验前安装、贴应变片、贴位移传感器以及试验后的拆卸整个过程中均进行了外观检测，在整个试验过程中均没有发现外观损伤等异常情况。图8是压力由0MPa升到89.5MPa，再由89.5MPa降到0MPa时B-01和B-02观察窗轴向位移试验测量结果。图9是压力由0MPa升到89.5MPa，再由89.5MPa降到0MPa时L-01和L-02观察窗轴向位移试验测量结果。图10是B-01在71.6MPa工作压力下保压6小时观察窗蠕变测量结果。图11是L-01在71.6MPa工作压力下保压9小时观察窗蠕变测量结果。图12是试验后的观察窗照片。

4.3 试验分析

观察窗与窗座工装之间采用了涂润滑脂和不涂润滑脂两种形式，其试验对比可以发现：

不涂润滑脂试验：相对应变比涂润滑脂要小很多。但是，这将大大受到机加工因素的影响，接触边缘的表面粗糙度会产生敏感影响。在加载过程中，观察窗产生了跳动位移现象。同时还听到了喀嚓响声和摩擦声音。当外压卸载后，观察窗开始粘连在工装上，然后突然跳回到初始位置。在此工况下使用比较危险，可能产生观察窗在高压卸载后发生脱落现象。试验后，在观察窗的母线方向发现了局部的细微磨损现象。从图8和图9中也可以看出，边界不光滑，在完全卸压后，观察窗不能恢复到原位，有大约0.5mm的位移量。

涂润滑脂试验：观察窗在工装内的位移量比不涂硅脂要大，但是观测窗能够平稳滑动。压力消除后，观察窗能够恢复到初始位移状态，仅有大约0.1mm的位移量没有恢复。

主观察窗的蠕变量大约为0.8mm，前期变化较快，大约在2小时后接近最大值。侧观察窗的蠕变量大约为0.6mm，大约在4小时后接近最大值。

对比图3～11，理论分析与试验分析比较接近。

图12 试验后的观察窗照片Fig.12 The view-port window picture after test

5 结 论

本文通过计算分析和试验两种手段，对深海观察窗的强度、蠕变、边界条件的影响进行了研究。通过以上理论分析和试验研究可以得到以下几方面的结论：

（1）观察窗通过了1.25倍工作载荷强度考核，证明能够满足7 000m工作深度下的结构设计强度要求；

（2）观察窗与窗座之间在使用过程中应该涂润滑脂，接触面应尽量加工光滑，减少摩擦系数，以保证使用的安全性；

（3）主侧观察窗的蠕变变形分别在前2个小时和前4个小时变化较快，后期变化非常缓慢。压力舱压力逐渐增加到工作压力后，直径200mm的主观察窗的轴向位移因蠕变变形而继续增加，增大到7.8mm后蠕变量逐渐不明显，直径120mm的侧观察窗增大到3.1mm后蠕变量逐渐不明显。设计的窗座结构主观察窗预留了10mm的变形空间，侧观察窗预留了5mm的变形空间均可以满足观察窗实际变形。

（4）试验过程中接触面贴合紧密，没有出现变形不协调而产生密封失效或者强度不足问题。

[1]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.

[2]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.

[3]Ansys Corporation.Ansys manual-structure analysis guide[K].

Mechanics analysis on deep-sea Human Occupied Vehicle’s view－port windows

LIU Dao-qi1,HU Yong2,WANG Fang2,TIAN Chang-lu3,CUI Wei-cheng2
(1 Beijing Jiao Tong University,Beijing 100044,China;2 China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China;3 Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

Human occupied sphere is the key component for deep-sea Human Occupied Vehicle(HOV).The view－port windows will be crept under deep sea pressure.So the window is in a dynamic deflection station.Accurate analyses of the deflection and strength change event due to creep is the precondition of view－port windows design.Otherwise,the windows may be slipped out of the seat,or induce sealing failure.In this paper,the strength,creep and boundary condition influences on windows of deep-sea HOV are analyzed by numerical analysis and test.The deflection between windows’set and windows is composed of elastic slip deflection and creep deflection.Contact FE method is used to analyse this deflection.Two sets of side windows and main windows are used for test research.FEM results and test results are compared.This paper can be used as a reference for such type of structure design.

deep-sea HOV;windows;creep

U674.941

A

1007-7294（2010）07-0782-07

2009-09-13

刘道启（1961-），男，副教授，北京交通大学博士研究生；

胡 勇（1975-），男，博士，中国船舶科学研究中心高级工程师；

田常录（1963-），男，博士，江南大学教授。