常压潜水装具半球形观察窗蠕变特性分析

杨青松，胡 勇，侯德永，刘志河

（1中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082；2上海海洋大学，上海 201306；3海军海洋测绘研究所，天津 300060）

常压潜水装具半球形观察窗蠕变特性分析

杨青松1，胡 勇2，侯德永1，刘志河3

（1中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082；2上海海洋大学，上海 201306；3海军海洋测绘研究所，天津 300060）

常压潜水装具半球形观察窗是常压潜水装具的关键设备之一，与仿人形耐压躯体组合，能为潜水员提供装具内的常压环境，并为潜水员提供足够的观察视野。作者针对半球形观察窗接触变形、蠕变变形等问题做出了计算分析与试验研究，并应用于半球形观察窗设计中，以期对类似水下用半球形观察窗设计提供参考。

常压潜水装具；半球形观察窗；蠕变分析

0 引 言

常压潜水装具（ADS）为“十二五”国家科技重大专项子课题，任务目标开发一套600 m级工作深度的单人常压潜水装具样机，形成具有自主知识产权的单人常压潜水装具系统技术及相关能力，填补我国大深度深水工程作业技术的空白，为海上油气田安全生产提供技术保障；半球形观察窗是常压潜水装具的关键设备之一，与仿人形耐压躯体组合能为潜水员提供装具内的常压环境，并为潜水员提供足够的观察视野。观察窗由有机玻璃半球壳与锻铝底座组成，有机玻璃材料性能不同于金属材料，在外界海水压力作用下，有机玻璃会随着时间的推移逐渐产生蠕变变形。这种蠕变与受压时间、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[1]。半球形观察窗设计涉及到强度问题，蠕变问题，密封问题，接触边界问题，且半球形观察窗不同于平板观察窗，设计难度更大。本文针对常压潜水装具半球形观察窗，采用计算分析和试验验证两种手段对半球形观察窗的蠕变特性进行研究，以期对类似水下用半球形观察窗设计提供参考。

1 半球形观察窗设计

观察窗由有机玻璃半球壳与锻铝底座组成，通过卡环将有机玻璃半球壳固定在锻铝底座上，如图1所示。观察窗透光直径305 mm，有机玻璃半球内径167 mm，厚度33 mm。通过密封圈1实现有机玻璃与底座间的密封，通过密封圈2实现底座与常压潜水装具躯体的密封。

（1）窗玻璃材料选取聚甲基丙烯酸甲酯（俗称有机玻璃）。根据中国船级社规范窗玻璃材料需具有以下性能[2]：抗拉强度σb≥62 MPa，弹性模量E≥2 760 MPa，压缩屈服强度σ0.2≥103 MPa。本观察窗采用的有机玻璃材料性能如下：

图1 常压潜水装具半球形观察窗Fig.1 The hemispheric window of atmospheric diving suit

2 半球形观察窗变形计算分析

观察窗变形主要由两部分组成：一部分为观察窗与窗座在海水压力作用下发生的接触挤压变形，另一部分是观察窗玻璃随时间推移产生的蠕变变形。

2.1 观察窗挤压变形

随着压力增加，观察窗在窗座上产生滑动位移。对于挤压产生的变形，可以通过有限元接触分析进行计算，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，锻铝窗座设定为刚性体，观窗玻璃设定为柔性体。根据结构的对称性，采用四分之一模型进行分析，有限元模型如图2所示。

图2 观察窗有限元模型Fig.2 The FEM model of window

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Γs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：

上式为非线性方程，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：

其中：t+ΔtN为t+Δt时刻的向接触体内的单位法向向量。

上式可以由线性表达来表达：

其中：Δtu（pc）为位移矢量增量，tN 为t单位法向向量。

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，μ为滑动摩擦系数。因而最大粘连摩擦力fs′与接触材料、加工表面粗糙度、环境温度等相关。

图3是观察窗在水压6 MPa下，观察窗最大变形与接触边界摩擦系数关系图；图4是观察窗在水压6 MPa下，观察窗最大等效应力与接触边界摩擦系数关系图；图5是观察窗在水压6 MPa下，边界摩擦系数为0时，观察窗变形图；图6是观察窗在水压6 MPa下，边界摩擦系数为0.3时，观察窗变形图。

结合图3可以看出观察窗边界摩擦系数越小，变形越小，对比文献[1]，这与平板锥体观察窗边界摩擦系数越小，轴向位移越大不同。本半球形观察窗在边界摩擦系数小于0.25之前，窗玻璃能够径向滑动，为滑动接触阶段，窗玻璃变形更趋于球形的径向均匀压缩变形，如图5所示。边界摩擦系数大于0.25之后，窗玻璃接触边界滑动阻力大，为粘连接触阶段，窗玻璃变形球形的径向不均匀变形，半球顶端变形最大，且随摩擦系数变大而边界区域变形趋于零，如图6所示。所以出现不同于平板锥体观察窗的情况。结合图4观察窗边界摩擦系数越小，应力越小，在摩擦系数0.25之后应力随系数增大缓慢降低，可认为应力几乎不变，即滑动摩擦区间，摩擦系数越小应力越低，粘连摩擦区间，摩擦系数对应力变化影响不大。

图3 测量点轴向位移与边界摩擦系数关系图 Fig.3 Effect of displacement on coefficient of friction

图4 最大等效应力与接触边界摩擦系数关系图Fig.4 Effect of equivalent stress on coefficient of friction

图5 摩擦系数为0时窗玻璃变形Fig.5 The displacement contour when the coefficient of friction=0

图6 摩擦系数为0.3时窗玻璃变形Fig.6 The displacement contour when the coefficient of friction=0.3

经测定本观察窗在接触边界不涂润滑脂情况下，摩擦系数约为0.3，本文给出观察窗有限元计算得到的压力—变形/应力图，如图7、图8所示，可以看出窗玻璃接触分析挤压变形、应力与压力几乎成线性关系。

图7 摩擦系数为0.3时窗玻力压力—变形图Fig.7 The curve of displacement under different pressure(the coefficient of friction=0.3)

图8 摩擦系数为0.3时窗玻力压力—应力图Fig.8 The curve of equivalent stress under different pressure(the coefficient of friction=0.3)

2.2 观察窗蠕变变形

观察窗是有机玻璃制品，是一种粘弹性材料，不能简单地按照线弹性材料来进行计算，在海水压力作用下，观察窗变形会随时间增加现象，这种现象的特征是变形、应力与压力不再保持一一对应关系[3]。文献[4]通过系列试验数据得到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1为不同应力水平下，拉伸试棒的临界断裂应变 和临界断裂时间试验测试结果。

表1 有机玻璃应力水平与临界断裂应变、断裂时间试验结果Tab.1 The experiment results of acrylic stress on the critical fracture strain and time

根据试验数据，在常温下εc和tc可以回归成下列公式：

将（5）、（6）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：

上式的试验数据回归模型可以作为观察窗玻璃的本构模型。本半球形观察窗在摩擦系数为0.3时，根据（7）式观察窗蠕变随时间变化如图9所示。

图9 摩擦系数为0.3时，观察窗蠕变随时间变化Fig.9 The curve of displacement-time(the coefficient of friction=0.3)

3 半球形观察窗试验分析

针对以上半球形观察窗，制造了样机，对样机进行压力筒试验，试验目的有：

（1）考核半球形观察窗的密封性能；

（2）考核半球形观察窗耐压强度；

（3）研究半球形观察窗的蠕变特性。

为达到以上试验目的，参照常压潜水装具的作业流程，采取以下试验方法与试验程序：0-6 MPa加压试验；6小时6 MPa保压试验；6-8.4 MPa加压试验；8.4-0 MPa降压试验。试验中接触边界未涂润滑脂，边界摩擦系数为0.3。

加压过程中0.3 MPa/分钟步长进行加压，每2分钟进行一次数据采集，保压期间每隔0.5小时进行一次数据采集，6 MPa保压结束后，继续按0.3 MPa/分钟加压至7.5 MPa，每2分钟进行一次数据采集；进行1小时7.5 MPa保压试验，保压期间每20分钟进行一次数据采集；保压试验结束后，继续按0.3 MPa/分钟加压至8.4 MPa，加压期间在7.8 MPa，8.1 MPa，8.4 MPa进行数据采集；进行1小时8.4 MPa保压试验，保压期间每20分钟进行一次数据采集；保压结束后，按0.3 MPa/分钟步长卸压至0 MPa，卸压期间每2分钟进行一次数据采集；试验结果如图10-13所示。

由图10可以看出，在加压过程中，由于压力点时间间隔为2分钟，时间间隔短，测量点轴向位移与压力成线性变化，有机玻璃蠕变特性不明显，这与有限元接触分析结果基本相符。

图10 0-6 MPa加压试验测量点轴向位移 Fig.10 The curve of displacement-pressure (0-6 MPa)

图11 6 MPa保压试验测量点轴向位移Fig.11 The curve of displacement-time (when the pressure=6 MPa)

由图11可以看出，在6 MPa保压过程中，有机玻璃蠕变特性明显表现出来。在压力不变的情况下，随着时间推移轴向变形逐渐增大，且在前几个测量点位移增值大由1.13 mm增加到1.21 mm，增值0.06 mm，在保压中期位移值趋于稳定，在后期位移值逐渐增加至1.24 mm，整个保压期间有机玻璃轴向位移蠕变量为0.11 mm。对比图9可以看出理论求解得到的6MPa 6小时保压蠕变量0.12 mm与试验结果相差不大，说明蠕变理论求解是可参考的。

由图12可以看出，在7.5 MPa与8.4 MPa保压期间，有机玻璃轴向位移蠕变量均为0.01mm，加压过程中位移与水压成线性关系。

由图13可以看出，在降压过程中，由于压力点时间间隔为2分钟，时间间隔短，测量点轴向位移与压力几乎成线性变化，有机玻璃蠕变特性不明显。

图12 6-8.4 MPa加压试验测量点轴向位移 Fig.12 The curve of displacement-pressure(6-8.4 MPa)

图13 8.4-0 MPa降压试验测量点轴向位移Fig.13 The curve of displacement-pressure(8.4-0 MPa)

4 结 论

本文通过计算分析与试验分析讨论了常压潜水装具半球形观察窗在深水压力下，挤压变形、蠕变的一些特性。得出以下结论：

（1）试验与计算结果均表明，半球形观察窗在加压过程中（加压时间间隔较小），变形与应力随压力基本呈现线性变化，保压过程中随时间推移，变形逐渐增加，且保压初期蠕变较大，在保压后期蠕变趋向稳定。

（2）计算结果分析表明，接触边界的摩擦系数对半球形观察窗变形与应力影响较大，变形随摩擦系数的增加而增加。观察窗边界摩擦系数在滑动摩擦区间时，变形趋于径向均匀收缩，在进入粘连摩擦区间后，变形趋于径向不均匀收缩，观察窗顶部变形最大，接触边界处变形最小。滑动摩擦区间，摩擦系数越低应力越低，粘连摩擦区间，摩擦系数对应力变化影响不大。

（3）试验结果表明在考虑蠕变情况下，设计的半球形观察窗密封性能与耐压强度经受住1.4倍工作压力（8.4 MPa）的压力筒试验考核，说明该半球形观察窗设计是可行的。

[1]刘道启,胡 勇,等.载人深潜器观察窗的力学性能[J].船舶力学,2010,14(7):782-788. Liu Daoqi,Hu Yong,et al.Mechanics analysis on deep-sea Human Occupied Vehicle’s view-port windows[J].Journal of Ships Mechanics,2010,14(7):782-788.

[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]田常录,胡 勇,等.深海耐压结构观察窗蠕变变形分析[J].船舶力学,2010,14(5):526-532. Tian Changlu,Hu Yong,et al.Creep analysis on deep-sea structure’s viewport windows[J].Journal of Ship Mechanics, 2010,14(5):526-532.

[4]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.

Creep analysis for the hemispheric window of atmospheric diving suit

YANG Qing-song1,HU Yong2,HOU De-yong1,LIU Zhi-he3
(1 China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China;2 Shanghai Ocean University,Shanghai 201306, China;3 Navy Hydrographic Surveying and Charting Research Institute,Tianjin 300060,China)

Hemispheric window is the important equipment of Atmospheric Diving Suit,when combined with compression resistance body shell,it can provide atmospheric space for diver and sufficient observe field.In this paper,the compression deformation and creep were analyzed by calculation and test,and the result was used for the design of hemispheroid window.The paper can be used as reference for such type of window design.

Atmospheric Diving Suit;hemispheric window;creep

U661.43

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2015.10.011

1007-7294（2015）10-1261-06

2015-01-22

国家科技重大专项经费资助“深水水下应急维修装备与技术”（2011ZX05027-005）

杨青松（1984-），男，硕士，工程师；胡 勇（1975-），男，博士，研究员；