观光潜水器载人舱大开口结构强度分析

高成君，姜 磊，张庆勇，刘 帅

（中国船舶科学研究中心 深海载人装备国家重点实验室，江苏无锡 214082）

关键字：观光潜水器；载人舱；大开口；结构分析

0 引言

观光潜水器是一种能够运载普通乘客既可在水下航行，又可浮出水面并保持水面航行的自航运载器。是一种可搭载未经任何特殊训练的游客遨游海底的高科技旅游设施，它已广泛应用于当今的海洋旅游中[1]。观光潜水器作为一型允许普通乘客在水下观光游览的高科技民用产品，应具备安全、可靠、美观、舒适、耐用、运营成本低的特点。为了有效降低运营成本，快速回收投资，观光潜水器的大型化是观光潜水器发展的最重要方向之一。

观光潜水器载人舱主要有2种结构形式，一种是全通透载人舱，主要以全通透柱形有机玻璃或球形有机玻璃作为耐压结构，如我国开发的寰岛蛟龙型载客潜水器[2]，因有机玻璃材料属性及加工成型工艺限制，有机玻璃不能大型化，该种潜水器载客人数相对较少；另一种是主要以金属材料作为耐压壳体，在耐压壳体上开小型观察窗，世界上比较有名的观光潜水器有美国的46客位ATLANTIS潜水器[3]、芬兰的48客位MARK型潜水器[4]，该类观光潜水器可大型化，下潜深度也可以更深，舱内舒适度随着载人舱的大型化可以更好，但国内市场还没有自主设计的该类观光潜水器运营。

作为一种以营利为目的的水下载人观光潜水器，为提高其舒适性，可通过增大载人舱内径和增大进出舱舱口出入通径来改善乘客的切身感受。因此，在提高乘客舒适性的同时，对其大开口结构的耐压载人舱的安全性就有更高的要求。

本文首先采用规范计算对载人舱结构设计结果进行了强度和稳定性校核[5]，然后采用有限元分析软件[6-9]对载人舱受水压时的应力及大开口结构加强方案进行了对比分析。

1 载人舱主参数

观光潜水器载客23人，最大下潜深度为50 m，设计12.5 m超深余量，总计62.5 m，0.625 MPa，计算压力取最大压力1.5倍，即0.937 5 MPa进行强度校核。

载人舱结构由耐压筒体（板厚16 mm）、封头（板厚16 mm）、尾舱口围壁（板厚20 mm）、首舱口围壁（板厚26 mm）、首尾穿舱键盘围壁（板厚16 mm）和11个观察窗窗座组成，除观察窗窗座材料为 022Cr17Ni12Mo2外，其它结构材料均为AH36/DH36船用钢板，为方便乘客进出载人舱，首舱口围壁设计成倾斜 65°折角型。载人舱全模型如图1所示。

表1 材料机械性能

2 规范校核

2.1 圆柱筒体

圆柱壳体艏艉与封头连接，总长L（mm）应增加2×40%封头深度：

L=12 326.4

1）强度校核

相邻肋骨中点处壳板的周向平均应力为

肋骨处壳板轴向应力为

式中：K1、K2为系数，由参数μ、β查图[5]决定；t为耐压壳体板厚，mm；pj为计算压力，MPa；R为耐压壳体半径，mm。

式中：l为肋骨间距，取700 mm；R为圆柱壳体平均半径，取1 408 mm；t为壳板厚度，取16 mm；F为肋骨剖面面积，取1 800 mm2。

将上述数据代入式（3）中，并查图[5]可得：K1=1.042，K2=1.045。

从而得到相邻肋骨中点处壳板的周向平均应力σ1（MPa）为

σ1=85.965≤0.85σs=301.75

肋骨处壳板轴向应力σ2（MPa）为

即圆柱壳体满足强度要求。

2）屈曲校核

肋骨之间的壳板按式（4）计算其屈曲压力为

式中：pcr为屈曲压力，MPa；CS均由参数σe/σs查图[5]确定。

式中：E为材料的弹性模量，取2.06×105，MPa。

计算可得：pe=6.07，=1.50。

查图[5]可得：Cs＝0.69，所以pcr=3.14≥pj=0.937 5（MPa）。

则当壳板厚度取16 mm时，满足稳定性要求。

2.2 封头

钢质耐压体球形封头采用半球形封头，R=1 408 mm，t=16 mm。

1）屈服校核

封头壳板应力为

壳板应力σ（MPa）满足：

即半球封头满足强度要求。

2）屈曲校核

球壳的屈曲压力按下式计算：

式中：Cs、Cz均由参数查图[5]确定，pe按式（9）计算：

式中：C为由比值t/R，查图确定，t/R＝0.011，C取0.006 5。

则pe=7.31（MPa）

查图[5]得，Cs＝0.63，Cz＝0.885，则：

根据上述计算，封头满足强度和稳定性要求。

2.3 开孔加强

1）尾出入舱口加强

尾出入舱口围壁厚度t'=20 mm，高度h=970 mm，开孔半径r=345 mm，则：

查图[5]得：δ≥1.5，取最保守情况δ=1.5进行计算。

则尾出入舱口围壁加强强度：

查图[5]得Kσ=2.11。

开孔加强满足强度要求。

2）首出入舱口加强

首出入舱口围壁厚度t'=26 mm，高度h=1 060 mm，开孔半径r=522 mm，则：

查图[5]得：δ≥1.5，取最保守情况δ=1.5进行计算。

则首出入舱口围壁加强强度为

查图得Kσ=2.23。

开孔加强满足强度要求。

3 有限元强度校核

由于耐压壳体为对称结构，建立1/2对称模型，壳体外表面施加1.5倍水压0.937 5 MPa，在尾部舱盖接触面施加转换压力2.441 MPa，首部舱盖接触面施加转换压力3.342 MPa，有机玻璃窗座密封面施加转换压力2.562 MPa，电气穿舱法兰面施加转换压力2.143 MPa，对称面施加对称边界条件，基座底部设置为固定。载人舱边界条件即转换压力设置，如图2所示。

图2 载人舱边界条件及加载

首舱口开孔直径较大，潜艇增强舱口围壁抗压强度使用的方法一般是在舱口围壁内部十字增加横梁，本文采用ansys软件分别对首舱口围壁不增加任何加强结构、舱口围壁内部增加十字横梁、舱口围壁前后左右各增加一块轴板这3种设计进行有限元计算，从结构强度和舒适性方面并进行比较，选择最合适的设计。计算结果如图3～图5所示。

从图2和图4可以看出，首舱口大开口围壁无结构加强时最大应力为286.24 MPa，舱口围壁前后左右各增加一块轴板时最大应力为275.5 MPa，位于首出入舱口围壁与载人舱筒体的交接处，舱口围壁内部增加十字横梁时最大应力为205.11 MPa，应力均小于σ1≤0.85σs=301.75（MPa），首尾出入舱口开孔强度均满足要求。

图3 首舱口围壁不增加任何加强结构载人舱应力云图

图4 首舱口围壁四周增加轴板载人舱应力云图

图5 首舱口围壁四周增加十字横梁载人舱应力云图

考虑观光潜水器为民用设备，经常有乘客进出，需考虑其舒适性和可操作性，选择在首舱口围壁前后左右各增加一块轴板设计作为结构加强。

4 结论

本文分别采用规范和有限元计算2种方法对观光潜水器大开口载人舱强度进行了分析，其中设计了2种大开口结构加强形式。通过计算结果的对比分析，可以得出以下结论：

1）本文设计的观光潜水器载人舱结构满足规范对耐压强度和稳定性的要求；

2）从大开口结构加强形式计算对比发现，结构加强后，最大应力明显减小，受外压力结构在结构内部进行加强效果更好；

3）在观光潜水器结构设计过程中除考虑结构强度和稳定性要求外，还需考虑舒适性和可操作性。