深海潛水器載人艙結構健康監測評估系統研究

楊華偉，萬正權，李艷青，陳 鵬

(中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082)

深海潛水器載人艙結構健康監測評估系統研究

楊華偉，萬正權，李艷青，陳 鵬

(中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082)

深海載人潛水器是海洋資源勘探和開發的重要裝備，其載人艙球殼是保證下潛人員安全及艙內設備正常工作的基礎，為及時掌握載人艙球殼在長期使用過程中的安全狀態，對其進行健康監測與實時評估十分必要。本文首先對4 500 m潛水器載人艙球殼進行受力分析；然后根據球殼特征和監測需求設計載人艙球殼健康監測評估系統；對鈦合金蠕變對系統測量結果的影響進行了研究分析，研究結果表明在最大工作壓力下蠕變對測量結果的影響小于1%；最后給出了結構安全性評估算法函數，并用球殼靜水外壓試驗數據對結構評估算法進行驗證。

載人潛水器；球殼；健康監測；傳感器；評估函數

0 引 言

隨著我國海洋經濟的快速發展，對海洋裝備的需求越來越大，“十三五”規劃綱要草案中更是把深海裝備放在了重要位置，載人潛水器作為海洋資源勘探和開發的重要裝備，將在深海研究和資源勘探中發揮更大的作用，應用也將越來越廣泛。深海載人潛水器的應用使得科學研究人員能夠親身下到海底，掌握海底的形貌和資源特征，為人類進一步開辟海洋新領域起到了關鍵作用。載人潛水器的主要作用是搭載人員并在海底完成一定的作業，其載人艙耐壓球殼是容納乘員和機械儀表設備的平臺[1]。潛水器在下潛過程中承受巨大的海水壓力，載人艙球殼必須具有足夠的強度和穩定性才能抵抗住海水壓力，顯然載人艙耐壓結構的安全性是保證潛水器正常工作的前提。在潛水器長期使用過程中，若能夠對載人艙耐壓球殼狀態進行健康監測并實時評估，在載人艙結構出現危險傾向時及時預警，將會避免危險事件的發生，從而保證潛水器的安全使用。目前，結構健康監測技術被廣泛應用于多個領域，其中大跨度橋梁健康監測與評估領域應用案例最多[2 – 4]，而載人潛水器結構健康監測目前研究較少，還沒有看到相關應用案例。本文首先對4 500 m潛水器載人艙進行了受力分析，確定了傳感器布置方案；基于4 500 m載人潛水器載人艙的結構特征和監測需求設計了耐壓球殼結構健康監測評估系統；分析了蠕變效應對結構健康監測系統測量結果的影響；給出了結構強度和穩定性安全評估算法，并應用水壓試驗數據對結構評估算法進行了試驗驗證；最后對結構健康監測系統進行了軟硬件集成。

1 載人艙受力分析及傳感器布置方案

4 500 m潛水器載人艙為圖1所示的球殼結構，內徑為2.1 m，額定乘員3人，基本參數如表1。

表 1 4 500 m載人球殼基本參數Tab. 1 4 500 m manned submersible spherical shell parameters

強度是反映載人艙局部結構安全的重要指標，為掌握球殼各部分受力狀態，確定強度測點位置，需對球殼進行有限元計算分析。

對載人艙球殼結構采用體單元建立有限元模型。網格選擇六面體映射網格，采用高精度單元solid45模擬。對于載荷傳遞節點和開口處的網格盡量細化，球殼厚度方向網格為3層，球殼最大周向網格為330個。在殼體位于x和z坐標軸的位置上（相隔90°）取3個節點：在z坐標軸上的2個節點，其uy=uz=0，在x坐標軸上的1個節點，其ux=uy=0。采用慣性釋放的方法平衡慣性力。外載壓力為46 MPa，出入艙口和觀察窗錐面上的壓力通過艙口蓋和窗玻璃的壓力平衡換算得到。

利用Ansys有限元軟件對球殼進行受力計算，施加46 MPa壓力，整球結構的等效應力云圖如圖2所示。

從圖2中可以看出，除出入艙口開孔、觀察窗窗座和穿艙件安裝盤等關鍵位置峰值應力較大外，如表2所示，載人艙其余球殼部位應力均勻，等效合成應力約為0.54σs，σs為TC4鈦合金材料屈服強度。

根據球殼應力分布情況確定載人艙強度監測主要部位為出入艙口孔座、主觀察窗窗座、前側觀察窗窗座、舷側觀察窗窗座、穿艙件安裝盤等位置，共計13個雙向應變測點，均位于球殼內表面。

穩定性是反映載人艙整體安全性的指標，由于制造初始缺陷對結構的整體承載能力影響較大[5]，因此本文在確定穩定性監測點位置時，選擇殼體厚度最薄處、初始撓度最大2個典型位置的周向和1個赤道焊縫處的周向作為穩定性監測點，監測球殼整體相對變形量，共計3個單向應變測點，均位于球殼內表面。

表 2 關鍵位置峰值應力Tab. 2 Peak stress of key structure parts

2 系統設計

2.1 系統方案及工作原理

根據載人艙強度、穩定性監測需求和載人艙結構特征設計結構健康監測評估系統。如圖3所示，將潛水器載人艙結構健康監測評估系統設計為一個長期布置于潛水器內部的小型化、低功耗、分布式、實時監測和自動判斷耐壓結構安全狀態的智能化系統，該系統由多個結構應變傳感器、多個數據采集器、1個監測計算機及結構健康監測評估軟件組成。系統中，應變傳感器安裝在載人艙殼體上，為降低信號傳輸干擾實現應變信號就地數字轉換，將數據采集器布置于應變傳感器附近，應變傳感器與數據采集器之間通過短信號線相連，數據采集器與監測計算機之間、數據采集器之間通過通信供電電纜相連，由通信供電電纜實現數據采集器供電及與監測計算機之間的通信。該系統通過外部通信接口接收潛水器信息平臺發送的潛水器當前下潛深度數據和向信息平臺發送載人艙球殼結構應力、應變監測數據和結構強度、穩定性報警信息。

系統工作原理：潛水器下潛過程中，載人艙球殼因受壓會發生機械變形，安裝在球殼上的結構應變傳感器將感知這種機械變形量并將其轉換為電信號，與傳感器連接的數據采集器對電信號進行采集處理輸出結構應變數字信號，并將該結構應變通過通信總線傳輸至系統計算機，計算機對結構應變數據和接收到的深度數據進行實時分析處理和結構強度、穩定性狀態評估，當判斷結構狀態危險時將發出報警信息，并將報警和監測數據長期存儲于數據庫中。

2.2 應變傳感器選型

結構應變監測技術是目前各個結構健康監測領域廣泛應用的技術，其應用范圍最廣，同時結構應變監測是評估結構安全狀態的最直接方法，因為與其他方法相比有非常低的誤報概率[6]。

目前用于結構健康監測的應變傳感器主要有電阻應變片和光纖光柵。表3列出了在電阻應變測量領域和光纖光柵應變測量領域具有代表性的制造商所生產的應變計的性能參數[7- 8]。

由表3可以看出，電阻應變片與光纖光柵應變計各有優缺點，電阻應變片的顯著優點是量程大、尺寸小、多軸測量方便、成本低，缺點是抗電磁干擾能力相對弱；光纖光柵應變計的顯著優點是不受電磁干擾、可點焊安裝，缺點是量程較小、對溫度敏感、成本高。基于4 500 m潛水器載人艙在最大工作壓力下的結構應變達5 000 με以上，大深度下潛過程中潛水器載人艙殼體溫度隨深度增大變化明顯，球殼應力為雙軸應力等主要因素，本監測系統選擇KFG型電阻應變片作為結構應變監測傳感器。

表 3 典型電阻應變片和光纖光柵應變計性能對比Tab. 3 The contrast of specifications between resist gauge and Bragg Fiber gauge

2.3 數據采集器及監測計算機

如圖3中所示，數據采集器是潛水器載人艙結構健康監測評估系統的基本單元，以分布式形式布置于載人艙內部不同部位，實現短距離應變模擬信號采集，最大程度降低傳輸線干擾，各采集器之間通過一根通信供電電纜實現級聯。數據采集器基本性能參數如表4所示。

監測計算機是潛水器載人艙結構健康監測評估系統的中樞，實現監測系統所有數據的收集、存儲、分析、顯示、評估和報警功能，是一個集主機、顯示器于一體化的小型計算機（見圖4）。其基本性能參數如表5所示。

表 4 數據采集器基本性能參數Tab. 4 Specifications of data acquisition equipment

表 5 監測主機基本性能參數Tab. 5 Performance parameters of monitoring computer

2.4 健康監測評估軟件

潛水器載人艙結構健康監測評估軟件安裝在監測主機上，配套數據庫為SQL Server，主要用于潛水器全深度范圍內結構應變和深度數據采集、數據處理、顯示、存儲、結構強度實時評估、結構穩定性實時評估和信息外傳，評估軟件界面如圖5所示。

3 高壓力對監測系統測量結果影響分析

“蠕變”是指固體受到恒定外力作用時，其應力與變形隨時間變化的現象[9]。近些年，一些學者的研究表明工業純鈦和鈦合金在常溫下處于高應力狀態時均有不能忽視的蠕變發生[10]。顯然，在恒定高壓力下，載人艙結構健康監測系統所測量的結構應變中除包含壓力引起的應變外還包含蠕變效應引起的應變，其中壓力引起的應變與壓力之間存在對應關系，而蠕變應變是在恒定高應力條件下，隨時間增長而增長的量，當蠕變應變較大時會給結構安全性評估的正確性帶來影響。圖6是屈平[11]對表1所示幾何尺寸的鈦合金球殼進行蠕變計算得到的不同潛深徑向蠕變變形量隨時間的變化關系圖。從圖中可以看出在相同時間下，潛深越大蠕變量越大；在相同深度條件下，時間越長蠕變變形量越大。當潛水器潛深為最大工作深度4 500 m，停留時間為最大生命支持時間120 h時，由圖4可以得到球殼徑向蠕變變形量約為0.025 mm。

一定潛深條件下，任意時間t球殼半徑蠕變變形rc（t）表示式如下[11]：

式中：rc（t）為t時間球殼徑向蠕變變形量，mm；t為時間，h；R為球殼半徑，mm；εc（t）為t時間蠕變應變。

由式（1）可得到球殼蠕變應變表示式如下：

將rc（t）=0.025 mm，R=1 050 mm代入上式可得：

由計算可知，潛水器殼體最大蠕變應變量約為24 με。由Hooke定律可以計算出由蠕變引起的應力約為3.94 MPa，與第2節計算出的球殼部位合成應力0.54σs相比，由蠕變引起的應力約占由壓力載荷引起應力的0.84%，小于1%，可以忽略不計。需要說明是，對于可以長時間（大于3個月）停留在水下的潛水器而言，蠕變引起的應變則必須考慮。

4 結構安全狀態評估技術

潛水器載人艙結構健康監測評估系統除長期監測并存儲潛水器所有下潛歷程的載荷與結構響應信息外，另一個重要作用是實時評估載人艙球殼的結構強度和穩定性狀態，判斷殼體是否安全。

4.1 載人艙結構強度安全評估算法

許多研究人員的研究成果表明[12]，由于改變了載荷路徑，在外載荷作用力下，結構損傷部位的應變分布會發生改變，因此可以通過評估實時獲取的某個部位結構應變值偏離結構健康狀態應變值的程度，來判斷潛水器載人艙強度是否安全。基于耐壓球殼應力控制標準、基礎狀態數學模型，并考慮健康監測系統強度監測誤差不確定度影響，得到載人艙結構強度安全性評估函數[13]：

其中：K為球殼監測部位強度評估函數值，K等于0時表示結構強度安全，K等于1時表示結構強異常；εt為強度監測部位結構實時應變值，με；ht為潛水器實時下潛深度或壓力，m或MPa；[σ]為結構強度控制應力值，MPa；θ為監測系統強度監測誤差不確定度；f（ht）為結構強度基準狀態數學模型。

4.2 載人艙球殼穩定性安全評估算法

穩定性是指結構在某些受力形式下具有的平衡形式的能力，在這些受力形式下結構的平衡形式不會發生突然轉變。載人艙球殼失穩會使得在殼體應力小于屈服強度的情況下發生垮塌，具有突發性，大大降低了承載能力。載人艙球殼的穩定性必須保證殼體具有平衡的能力，即各處受力一致，使整體處于受力平衡狀態，而不出現一部分受力急劇增加，而另外一部分受力急劇減小，這樣就失去了平衡，不能維護平衡狀態。當對稱球殼變形不一致時將會導致球殼失穩，變形不一致是球殼失穩的主要特征，利用合理的應變傳感器布置陣列可以實現球殼穩定性實時監測與評估。基于球殼變形一致性，結構穩定性基準狀態數學模型，并考慮監測系統穩定性監測誤差不確定度影響，得到載人艙球殼穩定性評估函數[13]：

4.3 結構安全性評估實驗驗證

為驗證載人艙球殼結構安全評估方法的正確性，本文利用4 500 m潛水器球殼靜水外壓試驗數據作為考核對象進行驗證。4 500 m載人球殼制造完成后進行了靜水外壓試驗，共進行了6次壓力試驗，其中5次最大工作壓力為46 MPa，1次為極限壓力，試驗過程中測量了應變和壓力數據，測點位置包含了球殼強度監測和穩定性監測傳感器測點位置。載人艙球殼吊入直徑3 m壓力為90 MPa的壓力筒過程如圖7所示。

1）強度安全性評估

以圖8出入艙口處測點A4作為結構強度評估對象進行驗證。利用5次46MPa加壓試驗測量的應變和壓力數據計算出的A4測點結構強度評估參數θ和基礎狀態數學模型f（ht）如表6所示；利用極限壓力加壓過程獲取的應變-壓力測量數據作為實時監測數據代入結構強度評估函數式（3），評估結果如表7所示，極限壓力加壓過程應變-壓力曲線如圖9所示。

表 6 結構強度評估參數Tab. 6 Structure strength assessment parameters

表 7 載人艙球殼強度評估結果Tab. 7 The structural strength assessment result of manned spherical shell

2）穩定性安全評估

穩定性監測傳感器陣列位置如圖10所示。利用5次46 MPa加壓試驗數據計算出的穩定性評估參數如表8所示，將最大試驗壓力加壓過程中獲取的穩定性監測傳感器陣列數據作為實時監測數據代入穩定性評估函數（4），評估結果如表9所示，穩定性監測傳感器陣列應變-壓力曲線如圖11所示。

結論：載人艙結構安全性評估算法給出的結構強度和穩定性評估結果與球殼實際結構狀態一致，沒有誤報警情況發生，驗證了球殼結構強度評估和穩定性評估算法的可用性。

表 8 穩定性評估參數Tab. 8 Structure stability assessment parameters

表 9 穩定性評估結果Tab. 9 The result of stability assessment

5 系統集成

深海潛水器載人艙結構健康監測評估系統各部分研制完成后，根據載人艙傳感器測點布置方案和系統設計方案對監測系統進行了軟硬件集成，并在試驗室進行了可靠性測試，系統實物如圖12所示。

6 結 語

通過本文研究得出以下結論：

1）深海潛水器載人艙結構健康監測評估系統實物和結構安全性評估實驗驗證表明，本文設計的系統方案合理可行，可用于4 500 m潛水器使用過程中的結構健康監測；

2）對高壓力下鈦合金球殼蠕變對監測系統測量結果的影響分析表明，蠕變效應對結構健康監測系統測量結果的影響可忽略不計。

[ 1 ]崔維成, 劉濤, 胡勇, 等. 7 000米載人潛水器潛航員培訓教材結構分冊[M]. 船舶力學編輯部, 2010.

[ 2 ]FARRAR C R, WORDEN K. An introduction to structural health monitoring [J]. Philos. Trans. R. Soc. 2007, 303–305.

[ 3 ]吳晶, 吳晗平, 黃俊斌, 等. 區域參考光柵法用于潛水器結構監測的溫度補償研究[J]. 海軍工程大學學報, 2015, 27(6):68–72.

[ 4 ]史紅梅, 余祖俊, 朱力強, 等. 高速鐵路無縫鋼軌縱向位移在線監測方法研究[J]. 儀器儀表學報, 2016, 37(4): 811–816.

[ 5 ]徐秉漢, 朱邦俊, 歐陽呂偉, 等. 現代潛艇結構強度的理論與試驗[M]. 北京: 國防工業出版社, 2007: 267–269.

[ 6 ]H C H LI, I HERSZBERG, CE DAVIS, et al. Health monitoring of marine composite structural joints using fibre optic sensors [J]. Composite Structures, 2006, 75(1-4): 321-327.

[ 7 ]共和電業產品選型手冊. www.kyowa-ei.co.jp.

[ 8 ]os3100光纖光柵應變計產品說明.www.micronoptics.com.cn.

[ 9 ]穆霞英. 蠕變力學[M]. 西安: 西安交通大學出版社, 1990.

[10]TANAKA H, YAMADA T, SATO E, et al. Distinguishing the ambient temperature creep region in mechanism map of annealed CP-Ti[J]. Scripta Materialia, 2006: 121–124.

[11]屈平. 深海鈦合金耐壓結構蠕變特性探索性研究[D]. 無錫:中國船舶科學研究中心. 2015: 13–16.

[12]王為. 光纖光柵在船舶結構健康監測中的關鍵技術研究[D].天津：天津大學, 2010.

[13]楊華偉. 耐壓結構狀態判斷方法及軟件實現技術研究報告[R]. 中國船舶科學研究中心, 2016.

Pressure structure health monitoring and assessment system for deep-sea manned submersible

YANG Hua-wei, WAN Zheng-quan, LI Yan-qing, CHEN Peng
(China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China)

Deep-sea manned submersible is a kind of important equipment to explore sea resource. The pressure spherical shell structure plays fundamental role for personal safety and normally working of onboard equipment. Thus it is very necessary to perform the structure health monitoring and real-time evaluating and find out the pressure structure safety condition in life-time service. Firstly, the stress distribution of the pressure spherical shell was analyzed by Ansys software.Secondly, according to the structural characters of 4 500 manned submersible and monitoring needs of strength and stability,the pressure structure health monitoring and assessment system was designed in this paper, including the choosing sensors and creep effects analysis, the value of creep effects less 1% at maximum working pressure. At last, the real-time assessment functions were given out and was verified by test data.

deep-sea manned submersibles；spherical shell；health monitoring；sensors；assessment functions

TN98

A

1672 – 7649(2017)09 – 0074 – 07

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.015

2017 – 01 – 03

楊華偉(1981 – )，男，博士研究生，高級工程師，研究方向為船舶結構健康監測與實時評估。