載人深潛器觀察窗的力學性能

劉道啟，胡 勇，王 芳，田常錄，崔維成

（1北京交通大學，北京 100044；2中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082；3江南大學機械學院，江蘇 無錫 214122）

載人深潛器觀察窗的力學性能

劉道啟1，胡 勇2，王 芳2，田常錄3，崔維成2

（1北京交通大學，北京 100044；2中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082；3江南大學機械學院，江蘇 無錫 214122）

載人球是深海載人潛水器最為關鍵的部件。在設計過程中，要準確了解觀察窗在使用工況下的蠕變變形過程和強度變化過程，據(jù)此開展窗座設計，否則可能出現(xiàn)觀察窗擠出窗座或者在蠕變過程中變形不協(xié)調使得密封失效，或者載人球整體抗壓能力的降低。文章通過計算分析和試驗兩種手段，對深海觀察窗的強度、蠕變、邊界條件的影響進行了研究。觀察窗與窗座之間的相對位移，文中認為由兩部分構成：一部分是觀察窗玻璃隨時間的蠕變變形，另一部分為觀察窗與窗座在海水壓力作用下發(fā)生的擠壓變形。文中采用有限元方法進行接觸分析，了解在不同邊界摩擦系數(shù)下，觀察窗因海水壓力產(chǎn)生的擠壓變形。從加工出來的觀察窗產(chǎn)品中，任意抽取了兩套側觀察窗和兩套主觀察窗進行試驗研究。對理論計算與試驗結果進行了對比分析，相關結果可供工程設計參考。

深海載人潛水器；觀察窗；蠕變

1 引 言

“和諧號”載人潛水器是我國863重大科研專項。該潛水器的工作深度為7 000m，是世界上工作深度最深的載人潛水器。在此之前，我國從來沒有研制過600m以上深度的載人潛水器。載人球是深海載人潛水器最為關鍵的部件。而載人球開口結構設計是載人球設計的關鍵。載人球開口結構主要有觀察窗和出入艙口兩種。觀察窗材料性能不同于金屬材料，在高壓海水壓力作用下，觀察窗有機玻璃隨著時間的推移逐漸產(chǎn)生蠕變變形。這種蠕變變形與受壓時間、外載荷、有機玻璃材質、觀察窗與金屬窗座之間的接觸幾何形式、接觸面的潤滑狀態(tài)等因素均有關系。在掌握窗玻璃的蠕變特性條件下，方可進行載人球窗座設計。否則可能出現(xiàn)觀察窗擠出窗座或者在蠕變過程中變形不協(xié)調使得密封失效，從而帶來安全隱患。因此，觀察窗的設計不僅涉及到強度問題，還涉及到蠕變問題，密封問題，接觸邊界問題。觀察窗的設計難度更大。本文針對大深度載人潛水器的觀察窗，采用計算分析和試驗研究兩種手段對大深度潛水器觀察窗的蠕變特性進行研究，并總結了相關工程經(jīng)驗，為類似深海結構的設計提供理論和工程參考。

2 觀察窗的設計概況

“和諧號”的載人球內直徑2.1m，設有一只透光直徑為200mm的主觀察窗和兩只透光直徑為120mm且對稱布置的側觀察窗，見圖1。主觀察窗厚度為220mm，采用45°錐體結構。側觀察窗的厚度為130mm，同樣采用45°錐體結構。觀察窗與窗座的密封設置在觀察窗外側面的邊緣，通過固定壓環(huán)壓緊密封圈。觀察窗的錐形面和窗座錐形面尺寸相同，二者均進行了打磨處理，接觸邊界非常光滑。

本深海載人潛水器的觀察窗采用有機玻璃材料。通過多組本體取樣對母材進行了性能測試，獲得了相關物理參數(shù)。表1為試驗測量結果。

表1 觀察窗的材料特性試驗測量結果Tab.1 The view-port window’s material characteristics obtained by test

續(xù)表1

3 計算分析

3.1 觀察窗與窗座的水壓接觸變形分析

觀察窗與窗座之間的相對位移，主要由兩部分構成，一部分是觀察窗玻璃隨時間的蠕變變形，另一部分為觀察窗與窗座在海水壓力作用下發(fā)生的擠壓變形。對于擠壓產(chǎn)生的變形，可以將金屬窗座作為剛性體對待。觀察窗與窗座之間隨著壓力增加，相互接觸，觀察窗在窗座上產(chǎn)生滑動位移。這里采用有限元方法進行接觸分析，了解在不同邊界摩擦系數(shù)下，觀察窗因海水壓力產(chǎn)生的擠壓變形。

觀察窗與窗座之間是面—面接觸，鈦合金觀察窗窗座為主接觸面并設定為剛性體，觀察窗為從接觸面并設定為柔性體，有限元模型如圖2所示。根據(jù)結構的對稱性，采用四分之一模型進行分析。

接觸對之間的Kinematic接觸條件認為：對于主接觸體A的接觸面Γs上的任意一點，從接觸體B接觸面Γc上在變形方向上的最近接觸點可以通過它們之間的相對距離進行確定。其距離表達式為：

該式為非線性方程，可以通過牛頓—拉菲生方法求解。在t+Δt時刻，主從接觸面之間的距離可以表達為：

圖2 有限元模型Fig.2 FE model

其中t+ΔtN為t+Δt時刻的向接觸體內的單位法向向量。上式可以由一線性表達來表達：

根據(jù)Koulomb摩擦法則，總的摩擦力與兩種接觸方式有關，一種接觸方式為粘連接觸，另一種接觸方式為滑動接觸，即：

其中0＜α≤1。最大粘連摩擦力fs′與滑動摩擦力相關，滑動摩擦系數(shù)μ與接觸材料、加工表面、環(huán)境溫度等相關。

圖3是在工作深度7 000m（對應壓力為p=71.6MPa）下，觀察窗軸向位移與邊界摩擦系數(shù)的關系計算結果。圖4為7 000m工作深度下，觀察窗邊界最大Von Misses接觸應力與摩擦系數(shù)的關系計算結果。對比圖3和圖4可以看出，觀察窗的尺寸越大，邊界摩擦系數(shù)對軸向位移和邊界接觸應力的影響越大。邊界摩擦系數(shù)小，有助于觀察窗的軸向自由滑動，使得觀察窗的軸向位移增加，同時邊界接觸應力減少。光滑的窗玻璃和窗座接觸面以及良好的邊界潤滑有助于減少邊界接觸應力。

3.2 觀察窗蠕變產(chǎn)生變形

觀察窗的制造材料為有機玻璃。有機玻璃材料是一種粘彈性體材料，在海水壓力作用下會發(fā)生變形隨時間增加的現(xiàn)象，即蠕變現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的特征是變形、應力與外力不再保持一一對應關系。對于粘彈性材料的本構關系常見的有Maxwell模型、Kelvin模型、標準線性體模型、Burgers模型、多元件模型等等。

粘彈性模型中組成的元件增多，就能夠更加準確地描述材料的實際特性，文獻[1]通過系列試驗數(shù)據(jù)得到在常溫下有機玻璃蠕變的回歸公式。

其中：ε為應變，εc為臨界斷裂應變，t為時間，tc為臨界斷裂時間。

εc和tc與應力水平密切相關。表2為不同應力水平下，拉伸試棒的臨界斷裂應變εc和臨界斷裂時間tc試驗測試結果。

表2 有機玻璃應力水平與臨界斷裂應變、斷裂時間試驗結果Tab.2 The test results of critical fracture strain and fracture time under different stress level for organic glass

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，在常溫下εc和tc可以回歸成下列計算公式：

將（4）、（5）式代入（3）式經(jīng)過推導可得蠕變有機玻璃觀察窗試驗的應力—應變關系式：

（7）式的試驗數(shù)據(jù)回歸模型可以作為觀察窗玻璃的本構模型。本觀察窗邊界與窗座邊界的摩擦系數(shù)試驗測量結果為0.1～0.15之間。在摩擦系數(shù)為0.1的邊界條件下，觀察窗隨時間的蠕變計算結果見圖5。

4 觀察窗的試驗研究

4.1 試驗目的與試驗方法

通過本試驗，達到以下試驗目的：

（1）考核觀察窗結構的耐壓強度；

（2）研究邊界潤滑對觀察窗的影響；

（3）研究觀察窗的蠕變特性；

（4）考核觀察窗反復加壓后的疲勞性能。

為了達到以上試驗目的，采取了以下試驗方法與試驗程序：

（1）從加工出來的觀察窗產(chǎn)品中，任意抽取了兩套側觀察窗和兩套主觀察窗進行試驗研究，編號分別為 B－01，B－02，L－01，L－02。采用對比試驗的方式來分析各種因素對觀察窗的影響。B-01和L-01觀察窗在裝配時與窗座之間進行不同潤滑邊界的裝配，B-02和L-02觀察窗在裝配時噴涂潤滑脂潤滑，對比分析邊界潤滑對觀察窗的影響；觀察窗的工作壓力為71.6MPa，試驗壓力為工作壓力的1.25倍，即89.5MPa。通過試驗壓力來考核觀察窗的結構強度；采用不同的加壓速度與保壓時間來分析觀察窗的蠕變特性；通過保壓來考核觀察窗在工作深度下的蠕變特性，觀察窗的試驗要求見表3。觀察窗窗座采用與7 000m載人潛水器載人球相同的耐壓窗座結構，并設計了專用壓力筒進行試驗，如圖7所示。

（2）試驗前均進行了外觀損傷檢查。在89.5MPa的試驗壓力下保壓15分鐘測量應變。在71.6MPa工作壓力下選取B-01保壓6小時和L-02保壓9小時檢測其蠕變產(chǎn)生的軸向位移。在觀察窗的上下表面分別貼了3對雙向應變片。在觀察窗的下表面圓心處安裝位移傳感器，測量觀察窗的軸向位移。

圖7 觀察窗和窗座工裝在壓力筒內安裝圖Fig.7 Set-up of windows and fixture in test tank

表3 觀察窗的試驗要求Tab.3 Windows test program

4.2 試驗結果

在觀察窗的試驗前安裝、貼應變片、貼位移傳感器以及試驗后的拆卸整個過程中均進行了外觀檢測，在整個試驗過程中均沒有發(fā)現(xiàn)外觀損傷等異常情況。圖8是壓力由0MPa升到89.5MPa，再由89.5MPa降到0MPa時B-01和B-02觀察窗軸向位移試驗測量結果。圖9是壓力由0MPa升到89.5MPa，再由89.5MPa降到0MPa時L-01和L-02觀察窗軸向位移試驗測量結果。圖10是B-01在71.6MPa工作壓力下保壓6小時觀察窗蠕變測量結果。圖11是L-01在71.6MPa工作壓力下保壓9小時觀察窗蠕變測量結果。圖12是試驗后的觀察窗照片。

4.3 試驗分析

觀察窗與窗座工裝之間采用了涂潤滑脂和不涂潤滑脂兩種形式，其試驗對比可以發(fā)現(xiàn)：

不涂潤滑脂試驗：相對應變比涂潤滑脂要小很多。但是，這將大大受到機加工因素的影響，接觸邊緣的表面粗糙度會產(chǎn)生敏感影響。在加載過程中，觀察窗產(chǎn)生了跳動位移現(xiàn)象。同時還聽到了喀嚓響聲和摩擦聲音。當外壓卸載后，觀察窗開始粘連在工裝上，然后突然跳回到初始位置。在此工況下使用比較危險，可能產(chǎn)生觀察窗在高壓卸載后發(fā)生脫落現(xiàn)象。試驗后，在觀察窗的母線方向發(fā)現(xiàn)了局部的細微磨損現(xiàn)象。從圖8和圖9中也可以看出，邊界不光滑，在完全卸壓后，觀察窗不能恢復到原位，有大約0.5mm的位移量。

涂潤滑脂試驗：觀察窗在工裝內的位移量比不涂硅脂要大，但是觀測窗能夠平穩(wěn)滑動。壓力消除后，觀察窗能夠恢復到初始位移狀態(tài)，僅有大約0.1mm的位移量沒有恢復。

主觀察窗的蠕變量大約為0.8mm，前期變化較快，大約在2小時后接近最大值。側觀察窗的蠕變量大約為0.6mm，大約在4小時后接近最大值。

對比圖3～11，理論分析與試驗分析比較接近。

圖12 試驗后的觀察窗照片F(xiàn)ig.12 The view-port window picture after test

5 結 論

本文通過計算分析和試驗兩種手段，對深海觀察窗的強度、蠕變、邊界條件的影響進行了研究。通過以上理論分析和試驗研究可以得到以下幾方面的結論：

（1）觀察窗通過了1.25倍工作載荷強度考核，證明能夠滿足7 000m工作深度下的結構設計強度要求；

（2）觀察窗與窗座之間在使用過程中應該涂潤滑脂，接觸面應盡量加工光滑，減少摩擦系數(shù)，以保證使用的安全性；

（3）主側觀察窗的蠕變變形分別在前2個小時和前4個小時變化較快，后期變化非常緩慢。壓力艙壓力逐漸增加到工作壓力后，直徑200mm的主觀察窗的軸向位移因蠕變變形而繼續(xù)增加，增大到7.8mm后蠕變量逐漸不明顯，直徑120mm的側觀察窗增大到3.1mm后蠕變量逐漸不明顯。設計的窗座結構主觀察窗預留了10mm的變形空間，側觀察窗預留了5mm的變形空間均可以滿足觀察窗實際變形。

（4）試驗過程中接觸面貼合緊密，沒有出現(xiàn)變形不協(xié)調而產(chǎn)生密封失效或者強度不足問題。

[1]張志林.飛機座艙透明件設計理論及應用[D].南京:南京航空航天大學,2005.

[2]中國船級社.潛水系統(tǒng)和潛水器入級與建造規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,1996.

[3]Ansys Corporation.Ansys manual-structure analysis guide[K].

Mechanics analysis on deep-sea Human Occupied Vehicle’s view－port windows

LIU Dao-qi1,HU Yong2,WANG Fang2,TIAN Chang-lu3,CUI Wei-cheng2
(1 Beijing Jiao Tong University,Beijing 100044,China;2 China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China;3 Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

Human occupied sphere is the key component for deep-sea Human Occupied Vehicle(HOV).The view－port windows will be crept under deep sea pressure.So the window is in a dynamic deflection station.Accurate analyses of the deflection and strength change event due to creep is the precondition of view－port windows design.Otherwise,the windows may be slipped out of the seat,or induce sealing failure.In this paper,the strength,creep and boundary condition influences on windows of deep-sea HOV are analyzed by numerical analysis and test.The deflection between windows’set and windows is composed of elastic slip deflection and creep deflection.Contact FE method is used to analyse this deflection.Two sets of side windows and main windows are used for test research.FEM results and test results are compared.This paper can be used as a reference for such type of structure design.

deep-sea HOV;windows;creep

U674.941

A

1007-7294（2010）07-0782-07

2009-09-13

劉道啟（1961-），男，副教授，北京交通大學博士研究生；

胡 勇（1975-），男，博士，中國船舶科學研究中心高級工程師；

田常錄（1963-），男，博士，江南大學教授。