轻载作业型载人潜水器耐压球壳设计

刘 峰，陈 威，高良田，李子凡

（哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

轻载作业型载人潜水器耐压球壳设计

刘 峰，陈 威，高良田，李子凡

（哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

耐压球壳是载人潜水器的关键部件，对于载人潜水器的安全性、总体性能等诸多方面均有重要的影响。针对轻载作业型HOV耐压球壳的设计，确定了壳体材料、结构形式和主要尺度，完成了基于规范的耐压球壳强度校核和稳定性分析，设计了开孔加强结构，完成了基于有限元耐压球壳模型强度校核。最后，在考虑了材料非线性、初始缺陷等因素的基础上，采用弧长法完成了耐压球壳的稳定性分析。结果表明耐压球壳的设计方案满足规范要求，为深水轻载作业型载人潜水器耐压球壳的设计提供了参考。

耐压球壳；强度校核；稳定性分析；弧长法

载人潜水器可搭载多种电子及机械设备并运载相关技术人员，精确地到达复杂海洋环境，进行高效的勘探、科学考察和开发作业[1]，具有无人潜水器无法替代的功能。多年来，载人潜水器已在海洋开发中发挥了重要的作用，被称为“海洋学研究领域的重要基石”，其相关研究与应用也受到了各国的高度重视[2-3]。与无人潜水器相比，载人潜水器系统构成更加复杂，在其系统组成中，耐压壳在为众多设备提供了布置空间的同时，还为艇员提供了空间，对于艇员的水下工作效率和安全性具有重要的影响。因此，耐压壳对于载人潜水器的效能和安全性均有重要的影响，是其设计中的关键内容之一。

为保证耐压壳在高压环境不被破坏，其必须具有足够的强度和稳定性，这就需要在设计阶段对耐压壳的结构性能做出准确的分析。耐压壳的结构分析是一个复杂的过程，如稳定性分析需要对于材料非线性、初始缺陷等诸多因素进行考虑，这些使耐压球壳的结构分析成为载人潜水器研究的热点与难点问题之一。Dzialo[4]研究了不同工况下的球壳弹性阶段的受力变形。Walter W[5]针对初始缺陷、材料几何非线性及边界条件等对于球壳屈曲的影响进行了研究，采用有限元软件进行了稳定性分析。刘涛[6]研究了金属、非金属耐压壳的强度和稳定性计算方法，得出了系列具有参考价值的研究成果。陆蓓等[7-8]研究了初挠度对球壳稳定性的影响，得出了经过精加工条件下的耐压球壳初挠度对于极限强度影响关系。李良碧等[9]基于非线性有限元方法，考虑了初始缺陷、几何以及材料非线性等因素，对于大潜深耐压球壳非线性稳定性进行了研究。伍莉[10]考虑了非线性以及初始缺陷的影响，提出了球形缺陷厚壳的非线性稳定性计算公式。潘涛[11]利用几大船级社潜水器规范对耐压壳结构强度与稳定性进行了计算及对比分析。李文跃等[12]系统阐述了大深度载人潜水器耐压球壳的研究现状及最新进展，并进行了分析和总结。

本文针对轻载作业型载人潜水器的耐压球壳进行了设计，确定了耐压球壳的材料、结构形式和几何尺寸，完成了开孔加强的设计。最后，采用有限元分析软件进行了耐压球壳的强度和稳定性分析。

1 耐压球壳设计

1.1 材料的确定

耐压壳选择材料时需要对于比强度σS/γ、比刚度E/γ、可设计性、可加工性、经济性等因素进行综合考虑。目前耐压壳常用的材料有钢、钛合金、铝合金等。钢材具有较高的屈服极限、比强度、良好的疲劳和断裂强度，具有加工工艺成熟，经济性好等优点，缺点是密度大；钛合金机械性能良好，强度高、密度小、表面易产生坚固的钝态氧化膜、抗化学腐蚀，缺点是造价高、加工难度大、焊接要求高等；铝合金比钛合金密度更小，在质量与排水量比较小的情况下可增大潜水器的作业深度和负载能力，缺点是高强度对应力腐蚀敏感、可焊性能差、造价也远高于钢质壳体等。综合考虑材料机械性能、加工工艺、焊接工艺以及经济性能，最终耐压壳体材料选择40cr号钢。40cr号钢的材料参数见表1。

表1 40cr钢机械材料参数

1.2 耐压球壳形式及几何尺寸

耐压壳常见的结构形式主要为球形、圆柱形或两者的组合。从应力角度来看，球形耐压壳体最好，且可以获得更好的重量-排水量比，此外，由于球形壳内表面积与容积的比值小，因此壳体上适于简易地切割舱口、舷窗和电缆套管孔。球形已成为潜深超过800 m的潜水器耐压壳的主要结构形式。但球形耐压壳也存在不便于内部舱室布置、流体运动阻力大、不易加工制造、空间利用率低等缺点。

目标载人潜水器潜深1 500 m、载员3人。确定耐压壳结构形式采用单球形，需要进一步确定耐压球壳的内径R和壳体厚度t。首先确定耐压球壳内径，表2列出了几型载员3人的载人潜器球形耐压球壳内径。

表2 几型载人潜水器耐压球壳内径

表2中，耐压球壳的内径基本处于2～2.2 m的范围内，内径的增大必然会导致耐压球壳重量的增大，也会导致重量排水比的增加，但内径的增大会使内部空间增大，可为设备及人员提供更大的空间，有利于舱内人-机-环设计，本文对于内径折中取2.1 m。

薄壳理论是耐压球壳理论研究的重要方法，适用于半径厚度比大于20的耐压球壳。随着载人潜水器向大深度方向发展，经典的薄壳理论已经不能适应属于厚壳范围的大深度耐压壳体理论研究[10]。本文所研究的耐压球壳作业深度1 500 m，传统薄壳理论依然适用[13]。耐压壳厚度需要满足下式[14]。

式中：[σ]许用应力，[σ]=0.85σs，N/mm2；pj计算压力，MPa。pj通过下式求得：

式中：γ为海水密度，kg/m3；hj为计算深度,m。

考虑到可能存在的材料缺陷、计算公式误差、作业时的超深超压等不安全因素，要求耐压球壳的设计需要有一定的强度储备，最大下潜深度hjx通过下式求得：

式中：K为安全系数，本文安全系数取1.5。

hjx与工作深度hg（载人潜水器正常使用中的最大深度）之间存在以下关系：

目标载人潜水器最大工作深度1 500 m，40cr号钢σs=785 MPa，则计算得到耐压球壳最小厚度为19.27 mm。

进一步按照式（5）进行壳体的极限强度pcr：

式中：Cs材料物理非线性修正系数；Cz制造效应系数，两者由参数σe/σs通过过查图得到[13]；pe为弹性失稳压力，pe采用式（6）计算得到：

式中：E为弹性模量；C通过查表得到。

当极限强度pcr大于计算压力pj时，才满足规范要求。对于不同板壳厚度进行极限强度pcr的计算，结果列于表3。

表3 不同厚度下屈曲计算结果

表3中，厚度20 mm和21 mm不满足要求。厚度22 mm时，极限强度pcr大于计算压力pj。因此，t取22 mm。考虑到耐压壳体还要受海水的腐蚀，需要留有一定余量，最终耐压壳体厚度t取23 mm。

1.3 开孔加强结构

耐压球壳的开孔众多，其中人员出入口、主观察窗、两个辅观察窗的开孔较大，也是耐压球壳设计中需要重点考虑的，上述4个开孔设计的主要内容为开孔尺寸的确定和加强结构的设计。

人员出入口的形式和参数见图1[15]。

图1 人员出入口加强形式

观察窗有平圆形、锥台形、球扇形3种常见的形式。平圆形加工安装容易且成本低，但是视野小，承压能力低，其裂纹多出现在低压面中心，且破坏不能预先发现；锥台形承载能力和视野都要优于平圆形，但要求观察时人眼必须靠近窗子，其失真度会随着人眼与窗子距离减小而增加，而视野度却恰恰相反；球扇形在水下受到的都是压应力，数值较小且分布均匀，在厚度直径比相同的情况下比前两种承压能力好，视野大，人在球心时图像不失真，但是工艺要求高，加工难度大、成本高，而且容易与外界物体碰撞。比较以上3种结构形式，考虑到水下地形复杂，难免发生摩擦碰撞，以及工艺和成本因素等，最终选择锥台形式的观察窗。观察窗开孔加强结构形式和具体尺寸见下图[16]。

图2 观察窗开孔加强形式及尺寸

观察窗的布置情况与人体数据密切相关，本文所采用的人体模型数据见表4。

表4 [16]人体工程学数据（单位：mm）

观察窗位置主要从观察范围以及舒适度着手考虑，潜航员水下观察时多为俯卧姿势。参照表4，当底部有垫子支撑肘部时，人体俯卧眼睛高度在460 mm左右，最终确定主观察窗圆心位于耐压球壳中剖面偏下19°，两个辅观察窗圆心分别在中剖面左右48°、偏下19°时，观察窗圆心距离地板高度为466 mm，观察姿势较为舒适。最终观察窗布置方案见图3。

图3 观察窗布置图

2 耐压球壳结构分析

2.1 计算模型

利用Abaqus软件建立有限元模型，见图4。

图4 有限元计算模型

图4中，计算模型坐标系采用笛卡尔直角坐标系，坐标原点为球心位置。单元类型选用C3D8R单元，该单元类型为8节点六面体减缩积分实体单元，每个节点3个自由度，x，y，z 3个方向。网格划分时在舱口和观察窗座采用扫掠网格，在壳体区域使用结构网格划分，为了体现应力在厚度上的变化，在厚度方向网格划分为3层。

耐压球壳在水下受均匀水压，但不受任何约束，而有限元静力计算法要求消除结构的刚体位移才能求解，因此在计算时应用惯性释放，约束球壳中心位置6个自由度，使其作为虚支座保证结构上合力平衡。

图5 约束条件以及加载

载荷主要考虑海水压力对结构产生的影响，取计算压力pj，在球壳表面施加24.5 MPa压力，舱口处施加等效压力95 MPa。对于观察窗处的等效压力，观察窗受力情况见图6。

图6 观察窗受力

图6中，在观察窗窗座受玻璃传递过来的接触正应力σT和摩擦剪应力τf，D1、D2分别为观察窗外、内直径，α、h分别为观察窗厚度和锥体倾角[17]。圆锥台的表面积为：

则由圆锥台平衡可得：

因而接触正压力为：

式中：f为观察窗体材料和加强结构的摩擦系数，本文f=0.5。由于τf=fσN，则：

计算得到主观察窗等效压力为20.58 MPa，辅观察窗座上的等效压力为18.63 MPa。

2.2 强度校核

利用Abaqus软件对于目标耐压球壳进行分析，得到的模型应力云图和局部应力云图分别见图7～图8。

图7 模型应力云图

图8 局部节点应力云图

计算结果显示，在24.5 MPa的压力载荷下，耐压球体的最大应力出现在出入舱口与球壳连接的环形带区域上，为611.1 MPa；球壳内侧和外侧观察窗附近也是高应力区域，观察窗附近的最大应力为594.4 MPa。最大应力均小于0.85σS，即667.25 MPa，说明设计符合规范要求。

2.3 稳定性分析

考虑到耐压球壳都包含有初始缺陷，会对于球壳的稳定性产生影响，从而造成承载能力的损失。初始缺陷的处理方式分为基于屈曲模态和基于物理几何两种，本文采用基于屈曲模态的几何初始缺陷分析方法。具体本文的耐压球壳的稳定性分析包括两部分。第一部分通过线性屈曲的方法将第一阶特征值失稳模态引入初始挠度，来替代初始缺陷对结构稳定性的影响。第二部分进行非线性屈曲分析，分析方法采用静力弧长法，初始挠度通过修改关键字引入，初挠度形状与线性屈曲分析第一阶特征值失稳模态一致，在分析中考虑几何、材料非线性的影响，控制增量迭代，最终得到载荷位移曲线，曲线最高点即为临界失稳力，即为耐压球壳的极限强度[13]。图9为本文所采用的非线性屈曲分析求解流程。

图9 非线性屈曲分析求解流程

图10 六阶模态位移云图

首先对模型进行特征值屈曲计算，拓展模态为六阶，计算结果见图9，一阶特征值为4.477 3，临界载荷为109.7 MPa。

将特征屈曲计算的一阶模态的挠度值通过文本文件的形式加载到非线性屈曲计算中，采用弧长法[13,18]进行非线性分析得到临界载荷。在分析时要输入的弹塑性参数见表5。

表5 40cr号钢应力应变值

计算时总增量步设置为100，初始增量步为0.01，最小增量步10-5，分析步时间为1。经过计算得到载荷-位移曲线见图11。得到的应力云图和失稳破坏形式分别见图12～图13。

图11中，在变形初期，位移与载荷基本成线性关系，之后耐压壳体出现失稳现象，位移不再遵循之前规律，突然增大，并不断增加，载荷逐渐减小。通过载荷-位移曲线计算得临界载荷为33.67 MPa，大于计算压力24.5 MPa，满足规范中对于稳定性的要求。

通过图12和图13可以看出，在临界载荷下，出入舱口与球壳连接处和窗口周围依旧是高应力区域，最大应力已经达到828 MPa，远高出屈服应力785 MPa。

图11 载荷-位移曲线

图12 临界载荷下的应力云图

图13 失稳破坏形式

3 结论

根据轻载作业型载人潜水器的情况，确定了其耐压球壳的材料、结构形式、主要尺寸，基于规范完成了耐压球壳结构校核。完成了出入舱口及观察窗开孔加强的设计，结合人体工程学数据确定了观察窗的布置，建立了基于Abaqus软件的耐压球壳有限元分析模型，稳定性分析考虑了材料非线性、初始缺陷等因素。稳定性分析结果表明：所得到的方案满足规范要求，但开孔加强附近为高应力区，且最先发生结构破坏的区域为主、辅观察窗上部。

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Design of the Pressure-Proof Spherical Shell of Light Load Operational Manned Submersible

LIU Feng,CHEN Wei,GAO Liang-tian,LI Zi-fan
College of Shipbuilding Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,Heilongjiang Province,China

The pressure-proof spherical shell is one of the key components ofmanned submersible,and has important influence on many aspects,such as safety and overall performance.Aimed at the design of the pressure-proof spherical shell of light load operational manned submersible,this paper determines the shell material,structural type and main dimensions,conducts the strength checking and stability analysis for the pressure-proof spherical shell based on specifications,designs the opening strengthen structure,and completes the strength checking for the pressure spherical shell based on finite element software.Finally,on the basis of considering the factors such as material nonlinearity and the initial defects,the Riks method is adopted to fulfil stability analysis for the pressure-proof spherical shell.Result shows that the design scheme can satisfy the requirements of specifications,and provides reference for the design of the pressure-proof spherical shell of light load operational manned submersible.

pressure-proof spherical shell;strength checking;stability analysis;Riks method

U663.1

A

1003-2029（2017）02-0016-07

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.02.003

2016-09-02

教育部科学研究重大项目资助（311034）；国家科技重大专项子课题资助项目（2011ZX05027-005）

刘峰（1982-），男，博士，讲师，主要研究方向为载人潜水器结构设计。E-mail：liufeng4338@163.com