觀光潛水器載人艙大開口結構強度分析

高成君，姜 磊，張慶勇，劉 帥

（中國船舶科學研究中心 深海載人裝備國家重點實驗室，江蘇無錫 214082）

關鍵字：觀光潛水器；載人艙；大開口；結構分析

0 引言

觀光潛水器是一種能夠運載普通乘客既可在水下航行，又可浮出水面并保持水面航行的自航運載器。是一種可搭載未經任何特殊訓練的游客遨游海底的高科技旅游設施，它已廣泛應用于當今的海洋旅游中[1]。觀光潛水器作為一型允許普通乘客在水下觀光游覽的高科技民用產品，應具備安全、可靠、美觀、舒適、耐用、運營成本低的特點。為了有效降低運營成本，快速回收投資，觀光潛水器的大型化是觀光潛水器發展的最重要方向之一。

觀光潛水器載人艙主要有2種結構形式，一種是全通透載人艙，主要以全通透柱形有機玻璃或球形有機玻璃作為耐壓結構，如我國開發的寰島蛟龍型載客潛水器[2]，因有機玻璃材料屬性及加工成型工藝限制，有機玻璃不能大型化，該種潛水器載客人數相對較少；另一種是主要以金屬材料作為耐壓殼體，在耐壓殼體上開小型觀察窗，世界上比較有名的觀光潛水器有美國的46客位ATLANTIS潛水器[3]、芬蘭的48客位MARK型潛水器[4]，該類觀光潛水器可大型化，下潛深度也可以更深，艙內舒適度隨著載人艙的大型化可以更好，但國內市場還沒有自主設計的該類觀光潛水器運營。

作為一種以營利為目的的水下載人觀光潛水器，為提高其舒適性，可通過增大載人艙內徑和增大進出艙艙口出入通徑來改善乘客的切身感受。因此，在提高乘客舒適性的同時，對其大開口結構的耐壓載人艙的安全性就有更高的要求。

本文首先采用規范計算對載人艙結構設計結果進行了強度和穩定性校核[5]，然后采用有限元分析軟件[6-9]對載人艙受水壓時的應力及大開口結構加強方案進行了對比分析。

1 載人艙主參數

觀光潛水器載客23人，最大下潛深度為50 m，設計12.5 m超深余量，總計62.5 m，0.625 MPa，計算壓力取最大壓力1.5倍，即0.937 5 MPa進行強度校核。

載人艙結構由耐壓筒體（板厚16 mm）、封頭（板厚16 mm）、尾艙口圍壁（板厚20 mm）、首艙口圍壁（板厚26 mm）、首尾穿艙鍵盤圍壁（板厚16 mm）和11個觀察窗窗座組成，除觀察窗窗座材料為 022Cr17Ni12Mo2外，其它結構材料均為AH36/DH36船用鋼板，為方便乘客進出載人艙，首艙口圍壁設計成傾斜 65°折角型。載人艙全模型如圖1所示。

表1 材料機械性能

2 規范校核

2.1 圓柱筒體

圓柱殼體艏艉與封頭連接，總長L（mm）應增加2×40%封頭深度：

L=12 326.4

1）強度校核

相鄰肋骨中點處殼板的周向平均應力為

肋骨處殼板軸向應力為

式中：K1、K2為系數，由參數μ、β查圖[5]決定；t為耐壓殼體板厚，mm；pj為計算壓力，MPa；R為耐壓殼體半徑，mm。

式中：l為肋骨間距，取700 mm；R為圓柱殼體平均半徑，取1 408 mm；t為殼板厚度，取16 mm；F為肋骨剖面面積，取1 800 mm2。

將上述數據代入式（3）中，并查圖[5]可得：K1=1.042，K2=1.045。

從而得到相鄰肋骨中點處殼板的周向平均應力σ1（MPa）為

σ1=85.965≤0.85σs=301.75

肋骨處殼板軸向應力σ2（MPa）為

即圓柱殼體滿足強度要求。

2）屈曲校核

肋骨之間的殼板按式（4）計算其屈曲壓力為

式中：pcr為屈曲壓力，MPa；CS均由參數σe/σs查圖[5]確定。

式中：E為材料的彈性模量，取2.06×105，MPa。

計算可得：pe=6.07，=1.50。

查圖[5]可得：Cs＝0.69，所以pcr=3.14≥pj=0.937 5（MPa）。

則當殼板厚度取16 mm時，滿足穩定性要求。

2.2 封頭

鋼質耐壓體球形封頭采用半球形封頭，R=1 408 mm，t=16 mm。

1）屈服校核

封頭殼板應力為

殼板應力σ（MPa）滿足：

即半球封頭滿足強度要求。

2）屈曲校核

球殼的屈曲壓力按下式計算：

式中：Cs、Cz均由參數查圖[5]確定，pe按式（9）計算：

式中：C為由比值t/R，查圖確定，t/R＝0.011，C取0.006 5。

則pe=7.31（MPa）

查圖[5]得，Cs＝0.63，Cz＝0.885，則：

根據上述計算，封頭滿足強度和穩定性要求。

2.3 開孔加強

1）尾出入艙口加強

尾出入艙口圍壁厚度t'=20 mm，高度h=970 mm，開孔半徑r=345 mm，則：

查圖[5]得：δ≥1.5，取最保守情況δ=1.5進行計算。

則尾出入艙口圍壁加強強度：

查圖[5]得Kσ=2.11。

開孔加強滿足強度要求。

2）首出入艙口加強

首出入艙口圍壁厚度t'=26 mm，高度h=1 060 mm，開孔半徑r=522 mm，則：

查圖[5]得：δ≥1.5，取最保守情況δ=1.5進行計算。

則首出入艙口圍壁加強強度為

查圖得Kσ=2.23。

開孔加強滿足強度要求。

3 有限元強度校核

由于耐壓殼體為對稱結構，建立1/2對稱模型，殼體外表面施加1.5倍水壓0.937 5 MPa，在尾部艙蓋接觸面施加轉換壓力2.441 MPa，首部艙蓋接觸面施加轉換壓力3.342 MPa，有機玻璃窗座密封面施加轉換壓力2.562 MPa，電氣穿艙法蘭面施加轉換壓力2.143 MPa，對稱面施加對稱邊界條件，基座底部設置為固定。載人艙邊界條件即轉換壓力設置，如圖2所示。

圖2 載人艙邊界條件及加載

首艙口開孔直徑較大，潛艇增強艙口圍壁抗壓強度使用的方法一般是在艙口圍壁內部十字增加橫梁，本文采用ansys軟件分別對首艙口圍壁不增加任何加強結構、艙口圍壁內部增加十字橫梁、艙口圍壁前后左右各增加一塊軸板這3種設計進行有限元計算，從結構強度和舒適性方面并進行比較，選擇最合適的設計。計算結果如圖3～圖5所示。

從圖2和圖4可以看出，首艙口大開口圍壁無結構加強時最大應力為286.24 MPa，艙口圍壁前后左右各增加一塊軸板時最大應力為275.5 MPa，位于首出入艙口圍壁與載人艙筒體的交接處，艙口圍壁內部增加十字橫梁時最大應力為205.11 MPa，應力均小于σ1≤0.85σs=301.75（MPa），首尾出入艙口開孔強度均滿足要求。

圖3 首艙口圍壁不增加任何加強結構載人艙應力云圖

圖4 首艙口圍壁四周增加軸板載人艙應力云圖

圖5 首艙口圍壁四周增加十字橫梁載人艙應力云圖

考慮觀光潛水器為民用設備，經常有乘客進出，需考慮其舒適性和可操作性，選擇在首艙口圍壁前后左右各增加一塊軸板設計作為結構加強。

4 結論

本文分別采用規范和有限元計算2種方法對觀光潛水器大開口載人艙強度進行了分析，其中設計了2種大開口結構加強形式。通過計算結果的對比分析，可以得出以下結論：

1）本文設計的觀光潛水器載人艙結構滿足規范對耐壓強度和穩定性的要求；

2）從大開口結構加強形式計算對比發現，結構加強后，最大應力明顯減小，受外壓力結構在結構內部進行加強效果更好；

3）在觀光潛水器結構設計過程中除考慮結構強度和穩定性要求外，還需考慮舒適性和可操作性。