不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)深潛裝置觀察窗應(yīng)力影響分析

孫德志，孫 飛

（吉林工程職業(yè)學(xué)院，吉林 四平 136000）

1 引言

載人潛水器作為重要的大型深海運(yùn)載裝備，是海洋科學(xué)技術(shù)發(fā)展的最前沿和制高點(diǎn)。深海載人潛水器是現(xiàn)代海底探查及研究的重要裝備，觀察窗使是其觀察外界環(huán)境的重要途徑。在滿足安全性的前提條件下，觀察窗優(yōu)劣的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要就是其數(shù)量和它們之間視野的覆蓋程度。文獻(xiàn)[2]利用ABAQUS計(jì)算窗座圍欄與球殼連接過(guò)渡處參數(shù)對(duì)于觀察窗極限強(qiáng)度影響；文獻(xiàn)[3]運(yùn)用數(shù)值計(jì)算對(duì)大深度潛水器耐壓球殼結(jié)構(gòu)性能影響及穩(wěn)定性分析；文獻(xiàn)[4]結(jié)合模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算對(duì)大深度球形耐壓結(jié)構(gòu)靜態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[5]認(rèn)為由于觀察窗設(shè)計(jì)是屬于有限壽命設(shè)計(jì)，對(duì)于該尺寸以及深海高壓的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，又不可能提供滿足試驗(yàn)方法的條件。

針對(duì)大深度載人潛航器進(jìn)行靜力學(xué)分析，對(duì)比分析三種結(jié)構(gòu)即平圓形，錐臺(tái)形，球扇形。基于有限元對(duì)影響觀察窗的應(yīng)力、應(yīng)變和位移因素展開(kāi)研究。對(duì)比分析因素對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變和位移的影響，尋求觀察窗最優(yōu)設(shè)計(jì)。

2 觀察窗受力分析

視窗的錐形面和窗座的錐形面尺寸相同，二者均進(jìn)行了打磨處理，保持接觸邊界光滑[6]。觀察窗三種基本結(jié)構(gòu)：平圓形、錐臺(tái)形和球扇形。球扇形是承受外界壓力最理想的形式。觀察窗在靜水壓作用下只承受壓應(yīng)力，而且分布均勻，數(shù)值較小。因此在同樣厚徑比情況下，球扇形觀察窗較平圓形和錐臺(tái)形觀察窗有承壓能力高，視野寬闊，人眼在球心時(shí)圖像不會(huì)失真的優(yōu)點(diǎn)。

錐臺(tái)形是軸對(duì)稱圖形，下面探討從中心軸出發(fā)，距離中心軸為R距離位置的受力，取受海水的承壓面直徑為R，厚度為x，由45°得到下底面直徑為，則上面受壓力為πR2q，下面受力為：

受力平衡得：

側(cè)面受力設(shè)為F（力的方向向下為“+”）

即得到距離R的側(cè)面受力F等于：

觀察窗的軸向應(yīng)力為：

徑向應(yīng)力為：

三個(gè)主應(yīng)力為：

應(yīng)力偏量為：

其中：

則，等效應(yīng)力為：

3 尺寸參數(shù)對(duì)觀察窗影響分析

3.1 平圓形觀察窗

保證外徑與內(nèi)徑比值為3，分別取5組不同厚徑比，建立平圓形觀察窗的模型，具體如表1所示。

表1 不同厚徑比的平圓形觀察窗尺寸Tab.1 Flat Size of the Different Thickness Ratio

由于剪應(yīng)力數(shù)值較小，不予考慮，環(huán)向應(yīng)力的變化趨勢(shì)與徑向應(yīng)力相同，故只取徑向應(yīng)力，軸向應(yīng)力，徑向位移，軸向位移在高壓面、低壓面、軸線的分布進(jìn)行比較。

3.2 錐臺(tái)形觀察窗

3.2.1 錐角影響

保證厚徑比值為1，取5組不同錐角的觀察窗進(jìn)行分析，具體數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 不同錐角的錐臺(tái)形觀察窗尺寸Tab.2 Different Cone Angle of the Cone-Shaped Observation Window

由于剪應(yīng)力數(shù)值較小，不予考慮，環(huán)向應(yīng)力的變化趨勢(shì)與徑向應(yīng)力相同，故只取徑向應(yīng)力，軸向應(yīng)力，徑向位移，軸向位移在高壓面、低壓面、軸線的分布進(jìn)行比較。

徑向位移和軸向位移的數(shù)值也是隨錐角的增大而減小，在90°以后減小的趨勢(shì)逐漸平緩，值得注意的是徑向位移在高壓面上的分布，60°和90°兩種錐臺(tái)形觀察窗的徑向位移數(shù)值最小，而過(guò)小和過(guò)大的錐角都會(huì)使得徑向位移的數(shù)值增加。

3.2.2 厚徑比影響

保證錐角為90°，內(nèi)徑為220mm，分別取5組不同厚徑比的觀察窗進(jìn)行分析，具體，如表3所示。通過(guò)有限元分析，不同厚徑比的觀察窗徑向應(yīng)力，軸向應(yīng)力，徑向位移，軸向位移在高壓面、低壓面、軸線的分布。

表3 不同厚徑比的錐臺(tái)形觀察窗尺寸Tab.3 Different Thickness Ratio of the Cone-Shaped Observation Window Size

徑向位移在高壓面上的數(shù)值隨著厚度的增加而增加，厚徑比超過(guò)1以后徑向位移會(huì)達(dá)到較大的數(shù)值。不同厚徑比的觀察窗的徑向位移在低壓面上的數(shù)值和分布趨勢(shì)都大體相同。觀察軸向位移在高壓面上的分布，相對(duì)而言數(shù)值最小的是t/Di=1的情況，軸向位移在低壓面的數(shù)值則是隨著厚徑比的增大而減小，減小的趨勢(shì)在厚徑比達(dá)到1以后逐漸平緩。這里要主要到軸向位移在軸線上的分布，除了厚徑比為0.5和0.75兩種情況下軸向位移的數(shù)值是隨著z值的升高而單調(diào)降低外，其他三種均呈現(xiàn)出先減小后增大的現(xiàn)象，盡管厚窗（t/Di=1.5）的軸向位移數(shù)值在前半段較小，但是增大后的位移數(shù)值超過(guò)了厚徑比為1.25和1兩種情況。

3.3 球扇形觀察窗

保證厚徑比值為1，取5組不同錐角的觀察窗進(jìn)行分析，具體數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4 不同厚徑比的球扇形觀察窗尺寸Tab.4 Different Thickness Ratio

通過(guò)有限元分析，得不同厚徑比觀察窗徑向位移、徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力，如圖1所示。徑向位移、徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力的數(shù)值隨錐角的增大而減小，在90°以后減小的趨勢(shì)逐漸平緩。因此，同一厚度、相同厚徑比的球扇形觀察窗，錐角越大，其應(yīng)力和位移的數(shù)值相對(duì)越小，但是這種減小的趨勢(shì)在錐角達(dá)到90°后趨于平緩。

圖1 厚徑比對(duì)球扇形觀察窗的影響Fig.1 The Effect of Thick and Small Ratio on the Fan-Shaped Window

3.4 觀察窗結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

取相同的厚徑比、厚度、錐角，尺寸如表5所示。

表5 不同結(jié)構(gòu)形式的觀察窗尺寸Tab.5 Different Forms of Observation Window

平圓形和錐臺(tái)形觀察窗的徑向應(yīng)力和軸向應(yīng)力在軸線上的分布，如圖2所示。兩種形式的軸向應(yīng)力分布趨勢(shì)大體相同，而徑向應(yīng)力雖然變化趨勢(shì)相同，但是數(shù)值上有很大的差別，盡管平圓觀察窗的高壓面壓應(yīng)力數(shù)值要小于錐臺(tái)形，但是平圓形觀察窗的低壓面出現(xiàn)了拉應(yīng)力?？梢?jiàn)，相同尺寸下，錐臺(tái)形這種結(jié)構(gòu)能夠消除低壓面中心處的拉應(yīng)力。

圖2 結(jié)構(gòu)形式對(duì)觀察窗的影響Fig.2 The Effect of the Structure on the Observation Window

4 結(jié)論

基于有限元分析，對(duì)影響觀察窗應(yīng)力的尺寸參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析，對(duì)影響觀察窗的應(yīng)力、應(yīng)變和位移的因素進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果可知：（1）對(duì)于平圓形觀察窗而言，隨著厚徑比的增大，應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)厚徑比達(dá)到1之后，應(yīng)力變化趨于平緩；（2）對(duì)于錐臺(tái)形觀察窗而言，隨著錐角的增大，應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)錐角達(dá)到90°之后，應(yīng)力變化趨于平緩，隨著厚徑比的增大，應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)厚徑比達(dá)到1之后，應(yīng)力變化趨于平緩；（3）對(duì)于球扇形觀察窗而言，隨著錐角的增大，應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)錐角達(dá)到90°之后，應(yīng)力變化趨于平緩，隨著厚徑比增大，應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)厚徑比達(dá)到1之后，應(yīng)力變化趨于平緩；（4）三種結(jié)構(gòu)形式中，球扇形觀察窗應(yīng)力狀態(tài)最好。