水下耐壓艙結構設計方法研究

魏振卓，徐元哲，王連明

(1.東北師范大學物理學院，吉林 長春 130024；2.海南熱帶海洋學院海洋科學與技術學院，海南 三亞 572022；3.海南熱帶海洋學院海洋信息工程學院，海南 三亞 572022)

隨著人類對海洋開發(fā)力度的增大，水下設備在獲取海洋信息、加速海洋資源開發(fā)利用方面起著越來越重要的作用[1].耐壓艙為水下設備的電子系統(tǒng)提供干燥密閉的工作環(huán)境[2]，保障其可以安全、穩(wěn)定、持久的工作.因此，耐壓艙的設計在水下設備的設計中占有重要地位.

耐壓艙主要由端蓋與筒體組成[3]，在實際工程中，其外形設計需依據(jù)耐壓艙的抗壓要求、工作機制和安裝方式進行合理選擇.常使用的外形有半球形封頭圓柱殼體、球形殼體、橢圓形殼體和方形等[4].針對不同的應用場景，耐壓艙的制作可以選擇金屬材料或非金屬材料.本文依據(jù)耐壓艙不同工作深度的設計要求，從耐壓艙的機械結構設計、材料選擇、密封方式和實現(xiàn)難易程度上進行設計與分析，使用有限元仿真分析的方法進行設計驗證[5]，提出耐壓艙結構設計的通用方法.

1 耐壓艙結構設計分析

1.1 耐壓艙結構特點

同等容積下，相比于其他形狀，圓柱體具有耐壓性能好、軸向水下迎流系數(shù)較小、便于機械加工制造等優(yōu)點[6]，因此在耐壓艙的設計中備受青睞.

常見圓柱體雙端蓋耐壓艙基本結構如圖1所示，主要由端蓋與筒體組成.端蓋與筒體間常使用雙O型密封圈完成密封，使用螺釘進行固定配合.該結構具有以下特點：(1)筒體的兩端蓋使用水密螺絲與外界相通，便于調試、安裝與維護.(2)圓柱形耐壓殼體的設計便于機械加工和耐壓艙實際安裝.(3)雙O型密封圈可實現(xiàn)擠壓密封，其結構簡單、密封效果好、應用廣泛，并且O型密封圈有成型的系列產(chǎn)品，便于購買和使用.

1.2 密封結構分析

耐壓艙的筒體與雙端蓋使用O型密封圈實現(xiàn)防水密封，該種密封方式屬于擠壓密封的一種(如圖1所示).在密封結構的設計中，常使用氟橡膠密封圈和丁腈橡膠密封圈[7]，其密封效果與密封圈的壓縮量和拉伸量有關；壓縮量過小，不能達到較好的密封效果，存在安全隱患；壓縮量過大，會使得密封圈損壞變性，不能重復使用[7].同樣，當O型密封圈的拉伸量過大的時，會降低密封圈的彈性，造成耐壓艙的泄露.一般在使用O型密封圈進行密封設計時其壓縮量控制在15%～30%為宜[8].O型密封圈的壓縮量的計算公式為

(1)

拉伸量計算公式為

(2)

式中：d0表示密封圈的截面直徑(mm)；α為密封圈的拉伸量；d為軸徑(mm)；d1為密封圈的內徑(mm)；H0為密封溝槽深度(mm).

圖1 耐壓艙結構示意圖

依據(jù)耐壓艙筒體壁厚的設計不同，密封圈、密封溝槽與端蓋有多種配合方式，常見的配合方式如圖2所示.

圖2 雙O型密封圈安裝方式

1.3 材料選擇

水下設備的工作環(huán)境較為惡劣，對設備的耐腐蝕性、抗壓性能、體積與質量等方面有著嚴格的要求.因此，選用合適的材料對耐壓艙的制作至關重要.表1是耐壓艙常見材料的力學性能參數(shù).

有機玻璃(Polymethyl Methacrylate，PMMA)全稱為聚甲基丙烯酸甲酯，是一種應用非常廣泛的熱塑性塑料，具有高透明度、價格較低和便于加工的優(yōu)點，常被用于制造水下攝像機和水下燈光的防水罩.在金屬材料中，鋁合金密度較小，易于設備加工、制造，材料成本較低，經(jīng)陽極氧化處理之后具有較好耐腐蝕性能.不銹鋼相較于鋁合金具有較大的剛度和強度，其耐壓性能、焊接性能較好，但是密度較大，常被用于框架設計.在水下設備的制造中，鈦合金是一種較為理想的金屬材料，其具有較好的強度和剛度，密度介于鋁合金與不銹鋼之間，非常適合用于水下設備的制造，不足之處是材料與加工成本較高，焊接性能較差，不適合大量使用.

1.4 耐壓艙應力分析

為確保水下設備的電子系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，耐壓艙在工作時不能出現(xiàn)變形或者破裂.因此，需要對耐壓艙體所能承受的極限載荷進行分析和計算，并指導耐壓艙的設計與制造.耐壓艙在水下所受外壓如圖3所示.

圖3 耐壓艙受外壓示意圖

耐壓艙實際工作時，其內部壓力小于外部壓力，屬于外壓容器[9].在海水壓力的作用下，耐壓艙筒體有可能發(fā)生褶皺或變形，失去原有的機械結構，這種現(xiàn)象稱為失穩(wěn)[10].在徑向壓力的作用下，耐壓艙可能發(fā)生側向失穩(wěn)；在軸向壓力的作用下，耐壓艙可能產(chǎn)生軸向失穩(wěn).因此，在耐壓艙的設計中，需要計算其臨界壓力，提高耐壓艙工作的穩(wěn)定性.圓柱形外壓容器分為長圓筒與短圓筒，兩者計算臨界壓力的方式不同.判斷圓柱形外壓容器類型的公式[11]為

(3)

式中：Lcr為計算臨界長度；D0為外壓圓筒的外徑；δe為耐壓艙設計壁厚.設計長度L≥Lcr時其屬于長圓筒，反之則屬于短圓筒.以上各量均以mm為單位.

短圓筒的臨界壓力計算公式[12]為

(4)

長圓筒的臨界壓力計算公式[12]為

(5)

式中：Pcr為計算臨界壓力，單位為MPa；E為材料的彈性模量，單位為MPa；μ為材料的泊松比；D0為筒體的外直徑，單位為mm；δe為設計的圓筒壁厚，單位為mm.

在指定耐壓艙的材料、艙體長度、壁厚與外徑時，可以計算其臨界壓力.實際在耐壓艙設計中，設計的臨界壓力對實際工作壓力應該有一定的冗余，使用安全系數(shù)S度量冗余程度，安全系數(shù)定義為

(6)

式中：S為安全系數(shù)；Pcr為計算臨界壓力(MPa)；Pc為耐壓艙設計工作壓力(MPa).

依據(jù)德國勞式規(guī)范的要求[13]，安全系數(shù)隨深度的增加而減少，但是其數(shù)值總是大于1，保證耐壓艙的設計臨界壓力大于實際工作壓力，提高耐壓艙在實際使用中的可靠性.安全系數(shù)隨深度變化的規(guī)律如表2所示.

表2 安全系數(shù)隨深度的變化規(guī)律

基于在耐壓艙設計深度、材料、內徑與艙體長度確定之后可以求解出滿足條件的壁厚數(shù)值.

由上述分析可知，耐壓艙端蓋在軸向壓力的作用下可能發(fā)生軸向失穩(wěn).為保證耐壓艙工作的穩(wěn)定性，需對端蓋厚度進行計算.圓形端蓋的厚度計算公式[14]為

(7)

式中：δp為計算端蓋厚度，單位為mm；K為結構特征系數(shù)，對于圓形平蓋K=0.25；Dc為端蓋設計直徑，單位為mm；φ為焊接接頭系數(shù)，對于無焊接接頭其數(shù)值為1；[σ]t為設計材料的屈服強度，單位為MPa.

1.5 有限元仿真分析

在耐壓艙設計中，其設計耐壓載荷應有一定冗余，設計仿真載荷計算公式[14]為

PT=1.25P.

(8)

式中：PT為仿真載荷，單位為MPa；P為設計壓力，單位為MPa.在應力仿真前應進行應力校驗，進行應力校驗公式為

(9)

圖4 有限元仿真分析流程

式中：σT為耐壓艙在仿真載荷下的應力，單位為MPa；Di為耐壓艙內直徑，單位為mm；PT為耐壓艙仿真載荷，單位為MPa；δe為耐壓艙設計壁厚，單位為mm.并且由于耐壓艙在水下工作，則應該滿足

σT≤0.9φσp0.2.

(10)

式中：σp0.2圓筒材料在仿真條件下的屈服點(或0.2%屈服強度)(MPa)；φ為圓筒的焊接接頭系數(shù).

為了校驗耐壓艙在實際工作中的可靠性，在應力校驗之后需要使用有限元仿真分析的方法求解所設計的耐壓艙的最大應力與對應深度的安全系數(shù)，對設計做進一步的驗證.應力仿真基于SolidWorks simulation模塊，有限元仿真分析流程如圖4所示.

2 耐壓艙結構設計流程

通過對密封結構、材料選擇、耐壓艙應力、有限元仿真分析，提出水下設備耐壓艙的通用設計方法.具體設計過程如下：

(1) 確定設計需求，包含設計內徑大小、艙體長度和工作深度，設置初始壁厚δe；

(2) 依據(jù)(3)式判斷艙體類型，計算不同材料的臨界壓力Pcr和安全系數(shù)S；

(3) 判斷安全系數(shù)S是否符合表2中安全系數(shù)隨深度變化的規(guī)律；

(4) 更新δe=δe+1，重復(2)與(3)過程，進行迭代計算，直至滿足表2要求；

(5) 依據(jù)(7)式計算端蓋厚度，對端蓋厚度做1.5倍加厚補強處理，提高抗壓性能；

(6) 選擇O型密封圈，依據(jù)(1)與(2)式計算密封圈的壓縮量與拉伸量，指導H0設計；

(7) 基于有限元仿真分析的結果優(yōu)化設計，驗證設計的有效性與可靠性.

耐壓艙設計中需綜合考慮其結構強度、密封方式與材料選擇.基于提出的方法可得到不同材料在滿足設計要求時的機械結構，再結合對耐壓艙的體積、質量、安裝方式與工作機制的需求，可以確定滿足實際需求的材料，最終完成耐壓艙的結構設計.

3 設計實例分析

3.1 筒體壁厚與端蓋厚度計算

以PMMA材料為例，設計耐壓艙的工作深度為100 m，設置初始壁厚為δe=4 mm，設計長度為230 mm，耐壓艙設計內徑為110 mm，則知耐壓艙設計外徑D0=110+4×2=118 mm.由(3)式計算其臨界長度為

(11)

由計算結果可知，實例設計的筒體屬于短圓筒，依據(jù)上文提出的方法基于δe=δe+1進行迭代計算，依據(jù)(4)式求解臨界壓力為

(12)

使用不同材料在進行耐壓艙的設計時，其滿足表2的設計壁厚在不同深度下有所不同，依據(jù)上述方法可以得到不同材料在不同深度下最小壁厚要求(以步長0.5 mm進行迭代計算)，結果如表3所示.

表3 不同材料在不同深度下壁厚數(shù)據(jù) mm

對端蓋厚度基于(7)式進行計算，計算結果為

(13)

對端蓋厚度做1.5倍加厚補強處理，則設計端蓋壁厚為11 mm.

由表3可知，相同深度下由金屬材料制造的耐壓艙其最小壁厚小于非金屬材料.因此，一般來說對于金屬材料其密封方式可使用圖2(b)的安裝方式，非金屬材料其密封方式可以使用圖2(a)的安裝方式.依據(jù)實例設計要求，針對不同材料，可得出符合設計深度下的耐壓艙筒體壁厚與端蓋壁厚的結果.

3.2 耐壓艙筒體應力仿真

對于PMMA材料，在100 m設計深度下，由3.1節(jié)知其最小壁厚為δe=7 mm，依據(jù)(8)式得仿真載荷為1.25 MPa，則耐壓艙在仿真載荷下的壓力σT=10.45 MPa，滿足σT≤0.9×1×75×0.2=13.5 MPa，應力校驗滿足設計要求.有限元仿真結果如圖5所示.

圖5 應力仿真結果與安全系數(shù)云圖(PMMA)

由圖5可知，耐壓艙最小安全系數(shù)為3.93，滿足表2中安全系數(shù)隨深度變化的規(guī)律.

4 結束語

耐壓艙作為水下設備的重要組成部分，由于工作環(huán)境較為惡劣，因此，其結構設計、材料選擇至關重要.基于對耐壓艙的結構設計、材料選擇與密封方式的分析，提出通過迭代計算求解不同材料耐壓艙筒體壁厚的方法，利用該方法可以針對實際需求，完成圓柱體雙端蓋耐壓艙的筒體壁厚與端蓋厚度的設計.設計完成后，采用有限元仿真方法驗證了設計的可靠性與有效性.