一种用于水下的测量体结构设计与受力分析

2012-10-20曲元鑫

舰船科学技术 2012年1期

关键词：封头圆筒冲击力

曲元鑫

(大连测控技术研究所，辽宁大连 116013)

0 引言

随着我国对海洋声学领域探索加深，水下测量仪器越来越多，这些仪器属于水下测量体。水下测量体结构设计与水面设备不同，设备在水下受水压力大，受力模型复杂，对它们进行水中受力分析是测量体结构设计中必不可少的一部分。

1 水下测量体受力分析

测量体一般都是空腔设计，空腔内部装有电路及测量仪器，整体设计为悬浮或者坐底形式。水下测量体在水中所承受的力主要有水介质对测量体产生的浮力、测量体自身的重力以及水流运动对测量体产生的冲击力(如图1(a))，无论外形结构是何种形式，测量体在水中会受到水流运动的冲击，冲击力迫使测量体改变预想的姿态，无法正常工作。由于水下存在强大的水压力(如图1(b))，会对整个测量体的周围产生影响，使测量体变形，严重时会导致测量体内部漏水，系统损毁。

声特性测量的时候，由于水听器指向性不同，要求测量体以不同姿态在水中工作。因此在结构设计中，测量体要想满足设备使用，维持正常工作状态，必须根据实际情况调整自身的形状，减少水中所受外力及压力对自身产生的影响。

图1 水下测量体受力分析Fig.1 The stress analysis of underwater measurement

2 典型形状测量体设计及受力分析

在水下，对测量体产生影响的力除了重力和浮力外，水流冲击力和水压力也是测量体设计需要重点考虑的因素。

2.1 水流冲击力

水流冲击力的产生原因是流体具有粘性［1］。当测量体表面与流体发生接触时，由于流体的粘性，紧挨测量体表面的一层流体粘附在测量体表面。跟它相近的一层会由于流体的粘性，降低流动速度。当第2层流体的速度降低之后，第3层流体也会产生减速……，这种粘性的反作用，形成了水流对测量体的冲击力。不同流体自身的粘性不同，因而同样流速情况下产生的冲击力大小不同。

水流冲击力公式［1］为:

式中:R为物体在流体中作等速运动时所受到的流体阻力;C为阻力系数(无因次常数，见表1);ρ为流体的质量密度，kg/m3;S为测定阻力系所采用物体的特征面积;V为物体与流体的相对运动速度，1 kn=0.5 m/s。

表1提供了大多数水下测量体能出现的形状，不同形状的测量体，受水流冲击的表面的形状不同，根据表1选择不同的阻力系数，从而计算出水流对测量体的冲击力。

2.2 水压力

由于测量体内部往往设计成空腔，测量体在水下由于内外压力差不同，受到水压影响，壳外的压力大于内部压力，形成外压容器。由于考虑到减小水流冲击、增大可利用体积等因素的影响，常用的水下测量体采用圆筒结构设计，因此可以看做是一种外压容器。外压容器在水下受到水压力作用，会引起筒壁内的径向和环向压缩应力，这种压缩应力如果大到材料的屈服点或抗压强度，将会导致容器失稳，造成测量体失效［2］。

各行各业在生产经营的时候，选择什么样的纳税人身份必须依据自身的企业特点作出选择。根据纳税人身份登记管理政策，如果小规模纳税人符合一定的条件，不管销售额有没有达标都可以转为一般纳税人。没有达到标准的小规模纳税人则可以通过下面的方法来选择纳税人身份。

容器失稳主要分为侧向失稳、轴向失稳和局部失稳。侧向失稳会引起测量体产生漏水、破坏的情况。轴向失稳直接会破坏测量体外壳结构，引发漏水或损毁情况。

为了防止容器失稳，在设计水下测量体的时候，需要根据测量体的工作深度，计算其所受的压力情况。依据测量体工作时所受的压力，进行材料选择、封头设计、壁厚计算。通过不同的局部加固技术，保证测量体能承受工作压力，稳定工作。

按照工程上对外压圆筒的区分，圆筒形水下测量体可分为长圆筒、短圆筒和刚性圆筒3种，作为长短的计量因素，主要依靠圆筒的长度与直径D0、壁厚Se等因素的影响，而不是指绝对长度。因此，针对不同结构形式的测量体，采用不同的公式计算长度与壁厚［2－3］。

2.2.1 长圆筒

式中:Pcr为临界压力，MPa;δe为筒体的有效厚度，mm;D0为筒体的外直径，mm，D0=Di+2δn;Et为操作温度下圆筒材料的弹性模量，MPa;m为材料的泊桑比。

2.2.2 短圆筒

短圆筒的临界压力不仅与圆筒的相对厚度δe/D0有关，同时也随圆筒的相对长度L/D0而变化。L/D0越大，封头的约束作用越小，临界压力越低。

其中:L为圆筒的计算长度，依靠增加加强圈的方法，可以缩短计算长度，增加圆筒耐压强度。

2.2.3 刚性圆筒

对于刚性圆筒，一般它的厚径比Se/D0大，而长径比L/D0小，因此不存在失稳破坏问题，只需要校核强度即可。

3 水下测量体设计的关键技术

3.1 测量体结构材料选择

由于海水具有强烈的腐蚀性，在选择测量体材料的时候，除了考虑耐压、导流因素外，还需要选择稳定性强，不易被氧化的材料，其中常用的材料有不锈钢材料、铝合金材料以及非金属材料中的玻璃钢材料［4］。不锈钢体系中的耐海水不锈钢对海水腐蚀的耐受性很强，材料易于加工，易于焊接，成品表面光洁度好。材料力学性能好，能适应大深度测量体使用需求。但是不锈钢材料密度较大，需要更多的浮力来支持测量体保持水中姿态。不锈钢材料常用于大深度测量体设计。铝合金中的纯铝系、Al－Mn系和Al－Mg系耐腐蚀性能比较好，而且重量轻，易于加工，成品表面光洁度好，但是铝制材料焊接性能差、强度相对不锈钢小，常用于加工需求相对简单的测量体制作。玻璃钢材料作为非金属材料的一种，也常常用于水下测量体。玻璃钢材料不受海水腐蚀，密度小，设备成品重量轻，对声、磁、光线的遮挡较小。但是玻璃钢材料属于一次成型产品，二次加工能力差，产品强度低，受到外力碰撞易于损坏。由于玻璃钢材料耐压性能一般，常用于工作在中等压力水深的测量体或者作为测量体上各种传感器的导流罩使用。

3.2 局部加固技术

针对水压力影响，使用局部加固技术可以减少测量体的厚度，降低测量体自重，从而获得更大的技术经济效益。需要局部加固的地方有受压封头、圆柱形测量体筒壁。

受压封头的形式主要有平面封头、球冠型封头、椭圆形封头、蝶形封头［2］。不同形状的封头能承受的压力大小也不同。在选用同样材料，且不增加厚度和封头直径的情况下，平面封头所能承受的压力最小，蝶形封头承受的压力其次，能承受压力最大的是球冠型封头。各种形式封头的设计加工特点不同，设计的时候还需要根据具体需要，选用不同的封头。

加强圈是针对圆柱形测量体筒壁受压的情况，在直径和壁厚不变的情况下，提高其临界压力的做法。通过在适当的地方增加加强圈，可以缩短圆筒的计算长度，增加圆筒的刚性。加强圈应该有足够的刚性，通常采用扁钢、角钢、工字钢等型钢。

3.3 水中姿态调整技术

当测量体悬浮在水中的时候，由于水流冲击力作用，测量体会发生倾斜，无法满足设计姿态，导致测量仪器无法正常工作。

按照经典力学理论，当不存在水流冲击力的时候，测量体由于重力、浮力以及配重缆绳的拉力作用，姿态保持垂直。当测量体受到水流冲击力的时候，冲击力的作用方向与前3个力的方向垂直，合力的作用结果，导致测量体沿着合力作用点发生旋转。最终在合力矩的作用下，当测量体倾斜一定角度后，形成稳定姿态(见图2)。

图2 测量体因为水流冲击力作用发生倾斜Fig.2 The inclination of measurement for the water impact

由于测量体需要在垂直姿态下，根据应用水域水流的大小，通过改变锚缆的安装位置，改变锚缆拉力受力点，使各种作用力的合力将测量体调整到垂直姿态(见图3)。采用橡皮绳或者减震弹簧还可以减少水流冲击力变化带来的设备抖动。

3.4 密封技术

水下测量体密封设计是结构设计的关键，实际应用过程中，因密封引起的设备故障比因内部电路引起的故障高。由于水压力的作用，结构体会产生微小变形，微小的缝隙也会给测量体密封性能带来致命的威胁。测量体连接部位选用不同的材料，由于水下温度较低，不同材料的热变形能力不一样，热膨胀也会引起结构变形导致密封隐患。另外需要注意的是，海水腐蚀引起密封材料老化，密封材料张力得不到控制也会造成密封失效。