一種用于水下的測量體結構設計與受力分析

曲元鑫

(大連測控技術研究所，遼寧 大連 116013)

0 引言

隨著我國對海洋聲學領域探索加深，水下測量儀器越來越多，這些儀器屬于水下測量體。水下測量體結構設計與水面設備不同，設備在水下受水壓力大，受力模型復雜，對它們進行水中受力分析是測量體結構設計中必不可少的一部分。

1 水下測量體受力分析

測量體一般都是空腔設計，空腔內部裝有電路及測量儀器，整體設計為懸浮或者坐底形式。水下測量體在水中所承受的力主要有水介質對測量體產生的浮力、測量體自身的重力以及水流運動對測量體產生的沖擊力(如圖1(a))，無論外形結構是何種形式，測量體在水中會受到水流運動的沖擊，沖擊力迫使測量體改變預想的姿態，無法正常工作。由于水下存在強大的水壓力(如圖1(b))，會對整個測量體的周圍產生影響，使測量體變形，嚴重時會導致測量體內部漏水，系統損毀。

聲特性測量的時候，由于水聽器指向性不同，要求測量體以不同姿態在水中工作。因此在結構設計中，測量體要想滿足設備使用，維持正常工作狀態，必須根據實際情況調整自身的形狀，減少水中所受外力及壓力對自身產生的影響。

圖1 水下測量體受力分析Fig.1 The stress analysis of underwater measurement

2 典型形狀測量體設計及受力分析

在水下，對測量體產生影響的力除了重力和浮力外，水流沖擊力和水壓力也是測量體設計需要重點考慮的因素。

2.1 水流沖擊力

水流沖擊力的產生原因是流體具有粘性［1］。當測量體表面與流體發生接觸時，由于流體的粘性，緊挨測量體表面的一層流體粘附在測量體表面。跟它相近的一層會由于流體的粘性，降低流動速度。當第2層流體的速度降低之后，第3層流體也會產生減速……，這種粘性的反作用，形成了水流對測量體的沖擊力。不同流體自身的粘性不同，因而同樣流速情況下產生的沖擊力大小不同。

水流沖擊力公式［1］為:

式中:R為物體在流體中作等速運動時所受到的流體阻力;C為阻力系數(無因次常數，見表1);ρ為流體的質量密度，kg/m3;S為測定阻力系所采用物體的特征面積;V為物體與流體的相對運動速度，1 kn=0.5 m/s。

表1提供了大多數水下測量體能出現的形狀，不同形狀的測量體，受水流沖擊的表面的形狀不同，根據表1選擇不同的阻力系數，從而計算出水流對測量體的沖擊力。

2.2 水壓力

由于測量體內部往往設計成空腔，測量體在水下由于內外壓力差不同，受到水壓影響，殼外的壓力大于內部壓力，形成外壓容器。由于考慮到減小水流沖擊、增大可利用體積等因素的影響，常用的水下測量體采用圓筒結構設計，因此可以看做是一種外壓容器。外壓容器在水下受到水壓力作用，會引起筒壁內的徑向和環向壓縮應力，這種壓縮應力如果大到材料的屈服點或抗壓強度，將會導致容器失穩，造成測量體失效［2］。

各行各業在生產經營的時候，選擇什么樣的納稅人身份必須依據自身的企業特點作出選擇。根據納稅人身份登記管理政策，如果小規模納稅人符合一定的條件，不管銷售額有沒有達標都可以轉為一般納稅人。沒有達到標準的小規模納稅人則可以通過下面的方法來選擇納稅人身份。

容器失穩主要分為側向失穩、軸向失穩和局部失穩。側向失穩會引起測量體產生漏水、破壞的情況。軸向失穩直接會破壞測量體外殼結構，引發漏水或損毀情況。

為了防止容器失穩，在設計水下測量體的時候，需要根據測量體的工作深度，計算其所受的壓力情況。依據測量體工作時所受的壓力，進行材料選擇、封頭設計、壁厚計算。通過不同的局部加固技術，保證測量體能承受工作壓力，穩定工作。

按照工程上對外壓圓筒的區分，圓筒形水下測量體可分為長圓筒、短圓筒和剛性圓筒3種，作為長短的計量因素，主要依靠圓筒的長度與直徑D0、壁厚Se等因素的影響，而不是指絕對長度。因此，針對不同結構形式的測量體，采用不同的公式計算長度與壁厚［2－3］。

2.2.1 長圓筒

式中:Pcr為臨界壓力，MPa;δe為筒體的有效厚度，mm;D0為筒體的外直徑，mm，D0=Di+2δn;Et為操作溫度下圓筒材料的彈性模量，MPa;m為材料的泊桑比。

2.2.2 短圓筒

短圓筒的臨界壓力不僅與圓筒的相對厚度δe/D0有關，同時也隨圓筒的相對長度L/D0而變化。L/D0越大，封頭的約束作用越小，臨界壓力越低。

其中:L為圓筒的計算長度，依靠增加加強圈的方法，可以縮短計算長度，增加圓筒耐壓強度。

2.2.3 剛性圓筒

對于剛性圓筒，一般它的厚徑比Se/D0大，而長徑比L/D0小，因此不存在失穩破壞問題，只需要校核強度即可。

3 水下測量體設計的關鍵技術

3.1 測量體結構材料選擇

由于海水具有強烈的腐蝕性，在選擇測量體材料的時候，除了考慮耐壓、導流因素外，還需要選擇穩定性強，不易被氧化的材料，其中常用的材料有不銹鋼材料、鋁合金材料以及非金屬材料中的玻璃鋼材料［4］。不銹鋼體系中的耐海水不銹鋼對海水腐蝕的耐受性很強，材料易于加工，易于焊接，成品表面光潔度好。材料力學性能好，能適應大深度測量體使用需求。但是不銹鋼材料密度較大，需要更多的浮力來支持測量體保持水中姿態。不銹鋼材料常用于大深度測量體設計。鋁合金中的純鋁系、Al－Mn系和Al－Mg系耐腐蝕性能比較好，而且重量輕，易于加工，成品表面光潔度好，但是鋁制材料焊接性能差、強度相對不銹鋼小，常用于加工需求相對簡單的測量體制作。玻璃鋼材料作為非金屬材料的一種，也常常用于水下測量體。玻璃鋼材料不受海水腐蝕，密度小，設備成品重量輕，對聲、磁、光線的遮擋較小。但是玻璃鋼材料屬于一次成型產品，二次加工能力差，產品強度低，受到外力碰撞易于損壞。由于玻璃鋼材料耐壓性能一般，常用于工作在中等壓力水深的測量體或者作為測量體上各種傳感器的導流罩使用。

3.2 局部加固技術

針對水壓力影響，使用局部加固技術可以減少測量體的厚度，降低測量體自重，從而獲得更大的技術經濟效益。需要局部加固的地方有受壓封頭、圓柱形測量體筒壁。

受壓封頭的形式主要有平面封頭、球冠型封頭、橢圓形封頭、蝶形封頭［2］。不同形狀的封頭能承受的壓力大小也不同。在選用同樣材料，且不增加厚度和封頭直徑的情況下，平面封頭所能承受的壓力最小，蝶形封頭承受的壓力其次，能承受壓力最大的是球冠型封頭。各種形式封頭的設計加工特點不同，設計的時候還需要根據具體需要，選用不同的封頭。

加強圈是針對圓柱形測量體筒壁受壓的情況，在直徑和壁厚不變的情況下，提高其臨界壓力的做法。通過在適當的地方增加加強圈，可以縮短圓筒的計算長度，增加圓筒的剛性。加強圈應該有足夠的剛性，通常采用扁鋼、角鋼、工字鋼等型鋼。

3.3 水中姿態調整技術

當測量體懸浮在水中的時候，由于水流沖擊力作用，測量體會發生傾斜，無法滿足設計姿態，導致測量儀器無法正常工作。

按照經典力學理論，當不存在水流沖擊力的時候，測量體由于重力、浮力以及配重纜繩的拉力作用，姿態保持垂直。當測量體受到水流沖擊力的時候，沖擊力的作用方向與前3個力的方向垂直，合力的作用結果，導致測量體沿著合力作用點發生旋轉。最終在合力矩的作用下，當測量體傾斜一定角度后，形成穩定姿態(見圖2)。

圖2 測量體因為水流沖擊力作用發生傾斜Fig.2 The inclination of measurement for the water impact

由于測量體需要在垂直姿態下，根據應用水域水流的大小，通過改變錨纜的安裝位置，改變錨纜拉力受力點，使各種作用力的合力將測量體調整到垂直姿態(見圖3)。采用橡皮繩或者減震彈簧還可以減少水流沖擊力變化帶來的設備抖動。

3.4 密封技術

水下測量體密封設計是結構設計的關鍵，實際應用過程中，因密封引起的設備故障比因內部電路引起的故障高。由于水壓力的作用，結構體會產生微小變形，微小的縫隙也會給測量體密封性能帶來致命的威脅。測量體連接部位選用不同的材料，由于水下溫度較低，不同材料的熱變形能力不一樣，熱膨脹也會引起結構變形導致密封隱患。另外需要注意的是，海水腐蝕引起密封材料老化，密封材料張力得不到控制也會造成密封失效。

圖3 測量體調整后的姿態Fig.3 The adjustable attitude of measurement

4 結語

由于水中環境復雜，水下測量體結構設計時需要考慮的因素還有很多，這里只是例舉了幾種典型受力情況。隨著海洋技術探索的深入發展，水下測量體越來越向著模塊化、系統化方向前進，高集成度設計和標準化模塊的出現，會使測量體結構設計變得更加合理可靠。

［1］屠大燕.流體力學與流體機械［M］.北京:中國建筑工業出版社，2000，263 －268.

［2］刁玉瑋，王立業.化工設備機械基礎(第五版)［M］.大連:大連理工大學出版社，2003.

［3］梁基照.壓力容器優化設計［M］.北京:機械工業出版社，2010.

［4］左禹，熊金平.工程材料及其耐腐蝕性［M］.北京:中國石化出版社，2008.