深海耐壓艙結構設計

王浩杰++崔志健++王向東

摘 要：根據需要確定耐壓艙的總體結構，并提出設計要求。對比三個不同材料的特性，計算在滿足強度要求條件下對應的結構參數，選擇最適宜的材料。根據艙體結構，結合標準，進行水密設計。在計算出結構參數后，通過三維軟件建立三維模型，并對模型進行強度仿真試驗。同時，在耐壓艙加工完成后進行了水靜壓試驗。經過試驗得出，艙體強度和水密性均能滿足要求，艙體結構設計合理。

關鍵詞：耐壓艙；結構設計；強度設計；水密設計；仿真與試驗

中圖分類號：U662 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）13-0048-02

海洋儀器耐壓結構的主要功能是承受水下高壓，保證整個儀器能在高壓環境中正常工作。結構強度是耐壓儀器最需要考慮的問題，包括高壓環境下的整體屈服強度、局部強度、結構穩定性以及長久工作需要考慮的疲勞強度等[1]。同時，還必須考慮水密問題，少量的海水滲漏都會給儀器帶來致命的影響。另外，海水的腐蝕性極強，是儀器設計不得不考慮的內容。想要儀器長期有效工作，必須要有很好的耐腐蝕能力，因此對材料的選擇提出了限制。

1 總體結構設計

儀器艙主要分為三部分：前部端蓋，中部艙筒和尾部端蓋。因為前部端蓋的結構更適合抗壓，因此強度設計主要考慮艙筒和尾部端蓋的強度失效及艙體的失穩。圖1為耐壓艙結構示意圖。

儀器艙應當滿足以下要求：（1）設計壓力60MPa，安全系數S=1.3；（2）設計圓筒內部有效長度為500mm，內徑為85mm；（3）密封性能良好。

4 仿真與試驗

采用SolidWorks建立耐壓艙三維模型，簡化后進行應力分析。通過尾部固定，外表面施壓，壓力為60MPa。劃分網格后對模型進行求解[7]，得到結果的應力分布如圖3。

從應力分布圖中可以看出，耐壓艙受壓時最大應力出現在尾部端蓋中間位置。在60MPa壓力下尾部端蓋上最大應力為249MPa，遠遠低于材料屈服強度，安全系數S>2。

同時，還對耐壓艙進行了水靜壓試驗。在78MPa模擬環境下靜置2小時，未出現強度破壞和水滲漏。該結構能滿足強度和水密要求。對材料進行表面處理后能滿足耐腐蝕的要求。

參考文獻

[1]潘濤.深潛器耐壓結構強度分析與優化設計[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2010：1.

[2]于彥江，張志剛，徐行，等.深海耐壓儀器艙的設計[J].海洋技術，2010，29（02）：33～35.

[3]中華人民共和國國家質量監督檢疫檢驗總局.GB 150.1-2011.壓力容器第1部分：通用要求.北京：中國標準出版社，2011-11-21.

[4]中華人民共和國國家質量監督檢疫檢驗總局. GB 150.3-2011.壓力容器 第3部分：設計.北京：中國標準出版社，2011-11-21.

[5]陳占清，詹永麒，朱昌明.壓縮率對O 形橡膠密封圈密封性能的影響[J].流體傳動與控制，2007（2）：46～48.

[6]中華人民共和國國家質量監督檢疫檢驗總局.GB/T 3452.3-2005.液壓氣動用O形膠橡膠密封圈溝槽尺寸. 北京：中國標準出版社，2006-9-19.

[7]DS SolidWorks公司.SolidWorks Simulation振動分析教程[M].北京：機械工業出版社，2012.7：5～36.