深海视频采集系统保护窗口的设计和优化

马俊林 杜杰 刘英

摘要：保护窗口是深海视频采集系统的关键组件。为提高深海视频采集系统的整体性能，保障深海资源的勘探和开发利用，文章通过力学分析、理论对比和打压试验等过程，对保护窗口进行设计和优化。研究结果表明：球扇形窗口更适合全海深均匀高压环境;与主流窗口材料蓝宝石相比，我国自主研制的YAG透明陶瓷在性能和成本上具有优势;以第四强度理论作为充分准则进行设计，以第一和第二强度理论作为必要条件进行校验，结合有限元力学分析结果，外径为96 mm的半球形保护窗口的最优内径为76 mm;对采用该内径尺寸透明陶瓷保护窗口的深海视频采集系统进行全海深压强水下打压试验，有力证实相关理论和设计思想的合理性和可靠性。

关键词：全海深;保护窗口;强度理论;透明陶瓷;有限元力学分析

中图分类号：P715.5+3;P742文献标志码：A文章编号：1005-9857（2019）02-0060-05

Design and Optimization of Protecting Window for Deep Sea Video Capture System

MA Junlin，DU Jie，LIU Ying

（Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics，and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）

Abstract： Protecting window is the key component of deep sea video capture system.In order to improve overall performance of deep sea video capture system and to support exploration and development of deep sea resource，this paper presented the design and optimization of protecting window by mechanical analysis，theory comparison and pressure testing.The research results indicated that the spherical window was preferable for a homogeneous highpressure situation at the whole ocean depth and the YAG transparent ceramic material which was researched and developed by our own，which is more feasible and more favorable for the protecting window comparing to sapphire.In view of the four failure criteria，the fourth strength theory was selected as the sufficient criteria for the window design，and the first and the second strength theory were selected for the calibration.With the finite element analysis result，for hemisphere protecting window with 96 mm external diameter，the optimal solution inner diameter is 76 mm.The under water pressure testing at the full ocean depth for the imaging systems was further performed with the protecting window of 96 mm external diameter and 76 mm inner diameter，which verified the rationality and reliability of related theory and design philosophy.

Key words：Whole ocean depth，Protecting window，Strength theory，Transparent ceramic，Finite element analysis

0引言

隨着陆地资源的衰退，世界各国都将目光聚焦深海资源，而深海资源的勘探和开发利用须以深海装备的研发为基础[1-3]。保护窗口是深海视频采集系统的关键组件，其与机械外壳共同组成深海视频采集系统的屏障，承载海水压力和保护内部器件。同时，保护窗口为深海视频采集系统的核心——内核镜头摄像机提供清晰视野，相当于“眼睛”的“眼角膜”，其形式结构、封装和材料直接决定整套深海视频采集系统的性能，因此其设计至关重要。

目前全海深保护窗口的设计存在2个问题：①国内外普遍采用蓝宝石作为保护窗口的材料，但蓝宝石具有高硬度，材料本身和加工的成本较高;②由于缺少适用的力学理论作为设计指导，设计保护窗口的几何尺寸时往往依靠经验和猜测，再通过水下打压试验进行验证，这种盲目的设计和试验往往产生大量报废件，增加不必要的成本。

1保护窗口的形式和材料

按照几何形状，保护窗口通常可分为3种样式。①平板形窗口：加工成本低，设计简单，可承受上、下2个方向的压力;但固定面为平板面，窗口和基座的接触面为直角，受力过于集中。②锥板形窗口：固定面为锥板面，受力集中部分较少;锥板面向下压紧，密封性好，且设计简单，加工成本低。③球扇形窗口：可在有限的空间内获得更大的视野，在同等厚度下的抗压性能较另2种形式高很多;全海深视频采集系统在工作时受海水压力很大，须在有限的尺寸条件下具有较高的抗压性能[4-8]（图1）。

根据上述对比，球扇形窗口更适合全海深视频采集系统的综合要求。但其加工成本高、周期长，且对材料本身的要求较高，因此要选好窗口材料、完善加工工艺和严控加工质量，从而保证保护窗口的光学和机械性能。

目前国内外主要选择蓝宝石作为保护窗口的材料，而新兴材料——YAG透明陶瓷在很多方面具有优势[9]。由中国科学院上海硅酸盐研究所自主研制的YAG透明陶瓷与蓝宝石的光学性能和机械性能对比如表1和表2所示。

由表1可以看出，YAG透明陶瓷和蓝宝石的光学性能几乎一致。由表2可以看出，YAG透明陶瓷和蓝宝石的断裂韧性几乎一致;YAG透明陶瓷的抗压和抗弯性能不如蓝宝石，但通过合理的选型和结构设计，其抗压强度能够满足全海深的要求，抗弯强度对于主要承受压应力的保护窗口来说也已足够;YAG透明陶瓷的硬度低于蓝宝石，因此加工容易，尤其对于球扇形窗口来说，精磨和抛光等后续加工工序可很好地满足面型要求。此外，YAG透明陶瓷的材料成本低，毛坯料生成周期短，均优于蓝宝石。

综上所述，采用YAG透明陶瓷制作的球扇形窗口是最理想的全海深视频采集系统的保护窗口。

2全海深保护窗口的受力及其强度分析理论

全海深视频采集系统在海底作业时，保护窗口受到均匀的压力，窗口底部与基座接触，接触部分为窗口提供支撑面。根据窗口的受力情况，选择合适的强度分析理论指导窗口的设计十分必要，从而保证特定几何参数的窗口在作业时的安全性，避免窗口被破坏。

窗口每个单元受到的应力可分解为3个方向的主应力，即σ1、σ2和σ3 [10-13]（图2）。

21第一强度理论（最大拉应力理论）

第一强度理论认为引起材料脆性断裂的主要因素是最大拉应力，即不论应力状态如何，只要构件内某点处的最大拉应力σ1达到单向应力状态下的极限值σb，材料就要发生脆性断裂[14-15]。因此，按该理论建立的强度条件为：

σ1<σb

22第二强度理论（最大伸长线应变理论）

第二强度理论认为引起材料脆性断裂的主要因素是最大伸长线应变，即不论应力状态如何，只要构件内某点处的最大伸长线应变ε1达到单向应力状态下的极限值εu，材料就要发生脆性断裂[16]。其中：

23第三强度理论（最大切应力理论）

第三强度理论认为引起材料脆性断裂的主要因素是最大切应力，即不论應力状态如何，只要构件内某点处的最大切应力τmax达到单向应力状态下的极限值τ0，材料就要发生脆性断裂[17]。依轴向拉伸斜截面上的应力公式为：

24第四强度理论（形状改变比能理论）

第四强度理论认为引起材料脆性断裂的主要因素是形状改变比能，即不论应力状态如何，只要构件内某点处的形状改变比能达到单向应力状态下的极限值，材料就要发生脆性断裂。因此，按该理论建立的强度条件为：

根据球扇形窗口的受力情况和几何特征，其在海底主要承受压应力，同时存在拉应力等其他三向应力。此外，保护窗口应变的变化直接影响深海视频采集系统的成像质量。因此，结合YAG透明陶瓷的脆性材料特点，本研究选取3种强度理论，对球扇形YAG透明陶瓷保护窗口进行强度分析，即采用第四强度理论分析强度，采用第一强度理论辅助校核，采用第二强度理论校验光学成像指标。

3保护窗口的最优内径及其水下打压试验

31窗口最优内径

本研究以深海视频采集系统的半球形保护窗口（外径为96 mm）为对象，在机械结构设计完成后，建模并导入ANSYS有限元力学分析软件。根据上述强度理论，确定不同内径的保护窗口在全海深环境下的受力情况，从而确定其最优内径，完成保护窗口的设计。

深海视频采集系统保护窗口的材料为国产YAG透明陶瓷，机械外壳和后盖的材料为钛合金，结构如图3所示。

将系统结构模型导入ANSYS有限元力学分析软件，并设置各部件的接触关系。其中，后盖和机械外壳的接触为刚性（Bond），遮光罩和窗口的接触为无摩擦（Frictionless），其余为滑动摩擦（Frictional），摩擦系数为01。

考虑到地球海洋最深处的压强为120 MPa，根据强度分析理论，将120 MPa的均匀压强加载到系统的每个外部接触面。为确定最优内径，首先设置经验值（内径70 mm）仿真，然后内径递减1 mm直至窗口破裂。由于遮光罩属于遮光器件，与整个系统不存在力学关系，在仿真中不予考虑。

单独提取保护窗口的受力情况，以第四强度理论作为设计准则，以第一强度理论作为校核准则，将保护窗口内径从70～78 mm导入ANSYS软件，得到最大压应力和最大拉应力在不同内径下的模拟曲线（图4）。

由图4可以看出，当保护窗口内径为76 mm和77 mm时，最大压应力分别为742 MPa和785 MPa。YAG透明陶瓷的抗压强度为750 MPa，当材料所受压应力大于其抗压强度时就会被破坏，因此76 mm为第四强度理论下的最优解。此外，各窗口内径的最大拉应力都低于YAG透明陶瓷的抗弯强度（280 MPa），满足第一强度理论的要求，这也间接说明窗口主要受压应力而非拉应力。提取内径为76 mm的窗口进行有限元力学分析，其中最大压应力出现在半球型窗口底部内侧边缘，最大拉应力出现在半球型窗口底部中心带。其他内径的有限元力学分析结果显示规律相同。

窗口内径为70～78 mm的最大变形模拟曲线如图5所示。

由图5可以看出，保护窗口变形量均小于040 mm。由于根据光学设计指标给定的窗口最大变形量小于050 mm，窗口内径对其光学性能没有影响。提取内径为76 mm的窗口进行应变分析，最大应变出现在半球型窗口顶部，最大变形量为028 mm。

综上所述，外径为96 mm的保护窗口，其内径的最优解为76 mm。

32水下打压试验

根据确定的最优内径，中国科学院上海硅酸盐研究所研制YAG透明陶瓷保护窗口（图6），并由上海恒生电讯工程有限公司完成深海视频采集系统的机械加工和整机装调（图7）。

调装完成的深海视频采集系统在上海恒生电讯工程有限公司的实验室进行水下打压试验：将整个系统放入注水压力容器中打压120 MPa，12 h后取出，系统的保护窗口没有表面裂纹，与机械外壳接触的部分也没有崩边。试验结果有力证明本研究采用的强度分析理论具有合理性和可靠性，即在设计全海深视频采集系统保护窗口时，以第四强度理论作为充分准则进行设计，以第一和第二强度理论作为必要条件进行校验。

4结语

深海视频采集系统是深海资源勘探和开发利用必不可少的关键设备，其保护窗口不仅为镜头等内部核心器件提供视野，而且是整个系统承压保护的重要部分，因此须同时注重其光学性能和机械性能。根据对不同形式保护窗口的受力分析，球扇形窗口更适合深海高压环境;通过与主流蓝宝石材料进行对比，我国自主研制的YAG透明陶瓷在性能和成本上具有优势;综合考虑4种强度理论和保护窗口的特点，以第四强度理论作为充分准则进行设计，以第一和第二强度理论作为必要条件进行校验，在机械结构设计的基础上，进行有限元力学分析，设计出外径为96 mm、内径为76 mm的深海视频采集系统保护窗口，并进行水下打压试验，最终证实相关理论和设计思想的合理性和可靠性。

参考文献

[1]霍洪强.基于DM368深海高清摄像机的研制[D].杭州：杭州电子科技大学，2014.

[2]ZHANG J，ZUO X，WANG W，et al.Overviews of investigation on submersible pressure hulls[J].Advances in Natural Science，2014，7（4）：54-61.

[3]王莹莹.全海深载人潜水器载人舱的疲劳可靠性研究[D].北京：中国舰船研究院，2017.

[4]徐钰蕾，王乃祥，许永森.高速航空遥感器的双层光学窗口设计研究[J].光学学报，2015，35（1）：1-9.

[5]刘广平，金永平，彭佑多，等.全海深沉积物保压容器有限元分析[J].湖南科技大学学报，2017，32（3）：29-33.

[6]LI H，WANG F，CUI W C.Structural design exploration on double intersecting spheres manned pressure hull of full ocean depth[J].Journal of Ship Mechanics，2017，21：1160-1169.

[7]张小安.有限元分析在材料力学中的应用案例[J].农业工程，2017，7（4）：174-177.

[8]高阳，周辉，张传庆，等.硬脆性岩石时效强度理论研究[J].岩石力学与工程学报，2018，37（3）：671-678.

[9]李兴旺，张月娟，莫小刚，等.YAG透明陶瓷制备与激光性能[J].人工晶体学报，2014，43（10）：2546-2553.

[10]成浩，周井玲，程志明，等.主颚板机械强度理论计算与有限元分析研究[J].现代制造工程，2015（3）：67-70.

[11]ZHANG Y，CHU G，WU P Z，et al.The strength analysis of adhesive joints of pipe lines in deep sea environment by FEM[C].33rd International Conference on Ocean，Offshore and Arctic Engineering，Pipeline and Riser Technology.San Francisco：CA，2014.

[12]FENG Y L，ZHANG W M，FENG F Z.Design and strength analysis of a spherical connector for lifting subsystem in deep sea mining system[J].China Ocean Engineering，2006，20（4）：605-613.

[13]KARTINI，SAPUTRA E，ISMAIL R，et al.Analysis of the contact area of smooth and rough surfaces in contact with sphere indenter using finite element method[C].3rd Bali International Seminar on Science & Technology.Bali：Indonesia，2015.

[14]ZHANG Z F，QU R T，LIU Z Q.Advances in fracture behavior and strength theory of metallic glasses[J].Acta Metallurgica Sinica，2016，52：1171-1182.

[15]張建，高杰，王纬波，等.深海球形耐压壳力学特性研究[J].中国造船，2015，56（4）：129-140.

[16]WANG L C.Multiaxial strength criterion of lightweight aggregate （LWA） concrete under the unified twinshear strength theory[J].Structural Engineering and Mechanics，2012，41（4）：495-508.

[17]PAN B，CUI W.An overview of buckling and ultimate strength of spherical pressure hull under external pressure[J].Marine Structures，2010，23（3）：227-240.