一種水下緊固帶裝置的設(shè)計及分析

余帆,何世平

(湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,武漢 430068)

長時間的水下航行會讓潛艇面臨諸多風(fēng)險。據(jù)不完全統(tǒng)計,自20世紀(jì)90年代以來世界各國共發(fā)生過潛艇事故約108起,其中火災(zāi)(24起)、碰撞(42起)、機(jī)械故障(16起)、爆炸(9起)、擱淺(10起)、其他情況(4起)[1]。加強(qiáng)援潛救生配套裝備研制十分必要[2]。目前,國內(nèi)研制了一種水下救生筏釋放裝置,見圖1a);當(dāng)潛艇在水下發(fā)生緊急情況時,裝載氣脹式救生筏的承壓容器被釋放并上浮至水面展開,見圖1b)[3]。

圖1 水下救生筏釋放裝置

承壓容器在釋放前需要有一種可靠的緊固方式將其固定在圍阱支架內(nèi)。由于潛艇處于海洋操作環(huán)境中,在設(shè)計承壓容器緊固裝置時需要考慮不同水深處水壓作用下承壓容器的變形情況。為此,提出一種水下緊固帶裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,并通過理論計算與實(shí)際試驗(yàn)相結(jié)合的方式驗(yàn)證其是否滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

1 承壓容器的結(jié)構(gòu)與緊固要求

承壓容器由玻璃鋼材料制作,由上、下兩半球殼組成,其外觀總體呈球形,見圖2。

圖2 承壓容器結(jié)構(gòu)示意

該容器在水下所受浮力大于重力且由于其材料為彈性材料,所以在不同水深處水壓作用下會產(chǎn)生相應(yīng)的形變。因此,潛艇水下航行時承壓容器需要有可靠的方式將其緊固在圍阱支架內(nèi)。

2 緊固裝置設(shè)計

2.1 承壓容器緊固方案對比選取

關(guān)于水下設(shè)備及裝置的緊固方法,有學(xué)者設(shè)計了一種潛艇通訊浮標(biāo)鎖緊裝置,該裝置設(shè)于浮標(biāo)底部對其進(jìn)行底部鎖緊[4];有學(xué)者設(shè)計了一種水下平臺救援裝置,其采用側(cè)邊壓緊的方式對水下浮體進(jìn)行緊固。本文所述承壓容器尺寸較大,若采用底部固定的方式,那么承壓容器和底部固定點(diǎn)就會形成懸臂梁結(jié)構(gòu),當(dāng)潛艇橫傾或縱傾時會產(chǎn)生較大的彎矩,極有可能使緊固失效;若采用側(cè)邊壓緊的方式,則需要在承壓容器翻邊上周向布置至少3個壓緊裝置,并且各個壓緊裝置間需要用純機(jī)械的方式串聯(lián)做到同時壓緊和解鎖,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且維護(hù)成本高。并且,以上方式均未考慮被緊固物體在水壓作用下的形變問題,一旦形變后導(dǎo)致緊固力減小,那么緊固的穩(wěn)定性將無法得到保障,嚴(yán)重時甚至?xí)苯訉?dǎo)致緊固失效。

所以,所設(shè)計的水下緊固帶裝置應(yīng)該可以自主補(bǔ)償承壓容器在水下水壓作用下的變形,并且結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、響應(yīng)迅速、維護(hù)成本低。

2.2 緊固帶裝置的結(jié)構(gòu)及裝配設(shè)計

緊固帶裝置的主體結(jié)構(gòu)大致分為4個部分:調(diào)節(jié)桿端、橡膠彈簧、鋼絲繩組,以及扣件接頭端,利用三維建模軟件對其進(jìn)行建模,見圖3。其中,調(diào)節(jié)桿可以用來設(shè)置和調(diào)節(jié)拉緊力的大小;鋼絲繩組用來緊固承壓容器,并且具有柔性,可以貼合被緊固件的外表面;橡膠彈簧可以自主回彈補(bǔ)償承壓容器受水壓產(chǎn)生變形后所減小的緊固力,使鋼絲繩組始終保持張緊的狀態(tài);扣件接頭端用來固定和解鎖緊固帶裝置。

圖3 水下緊固帶裝置三維建模

緊固帶裝置可安裝在圍阱支架上,支架兩端分別設(shè)計對應(yīng)的定位座和卡扣座。定位座一端用來固定調(diào)節(jié)桿,卡扣座一端有對應(yīng)的卡扣與緊固帶扣件接頭連接,其初步裝配圖見圖4。潛艇水下正常航行時,承壓容器由緊固帶裝置上的鋼絲繩組緊固于圍阱支架之中;當(dāng)潛艇失事時,扣件接頭與卡扣座一端斷開連接,此時承壓容器在浮力的作用下上浮至水面展開。

圖4 緊固帶裝置初步裝配示意

3 緊固帶橡膠彈簧的預(yù)壓縮量求解

由于承壓容器在水壓作用下產(chǎn)生形變,此時緊固帶裝置中的橡膠彈簧會自主回彈來保持鋼絲繩組對承壓容器的拉緊狀態(tài)。所以,需要求解出下水前橡膠彈簧所需要達(dá)到的壓縮量,對橡膠彈簧進(jìn)行預(yù)壓縮處理。

3.1 潛深與承壓容器變形量的函數(shù)關(guān)系

承壓容器采用玻璃鋼制作,材料參數(shù)見表1。

表1 承壓容器材料(玻璃鋼)材料參數(shù)

根據(jù)水下力學(xué)特性及承壓容器材料屬性,分析水下30 m內(nèi)不同潛深時承壓容器的變形量[5]。

承壓容器不同潛深表面所受水壓P為

P=ρ·g·h

(1)

式中:ρ為水的密度;g為重力加速度;h為下潛深度。

分別建立上、下球殼兩部分有限元模型進(jìn)行求解。其變形云圖見圖5a)、b),變形量見表2。

表2 不同水深承壓容器變形量

圖5 承壓容器有限元分析示意

由表2可知:①承壓容器的變形量隨著下潛深度的增大而增大;②在相同工況下,承壓容器的上球殼變形量要小于下球殼變形量;③承壓容器變形量與潛深關(guān)系特性接近線性關(guān)系。

根據(jù)最小二乘法,利用MATLAB對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式逼近擬合[6],得到

fh=4.623×10-2·h-3.32×10-3

(2)

式中:fh為承壓容器變形量;h為潛深。

該擬合函數(shù)的和方差為1.705×10-5,接近于0,確定系數(shù)為0.999 992接近于1,所以該式具有較高的理論計算精度。

3.2 橡膠彈簧補(bǔ)償量求解

緊固帶裝置定位座端與扣件接頭端對稱分布,當(dāng)承壓容器在水壓作用下發(fā)生變形時,其變形前后緊固帶裝置示意于圖6。

圖6 變形前后緊固帶裝置示意

由此可以求解出單邊橡膠彈簧在容器變形后所需要的補(bǔ)償量Δx。

(3)

式中:x1為容器變形前鋼絲繩組斜邊長度;x2為容器變形后鋼絲繩組斜邊長度;d為容器頂部到緊固點(diǎn)間的垂直距離;fh為容器縱向形變量;θ為容器變形前鋼絲繩組斜邊與水平方向的夾角。

3.3 橡膠彈簧剛度計算

緊固帶裝置中橡膠彈簧由多個圓筒形橡膠串聯(lián)而成,見圖7。

圖7 橡膠彈簧三維示意

對于橡膠材料,其受力后的變形比較復(fù)雜,往往呈現(xiàn)非線性狀態(tài)[7]。對受壓的彈簧而言,在相對變形不超過15%的情況下近似符合虎克定律,應(yīng)力σ與應(yīng)變ε近似取線性關(guān)系。

σ=Ea·ε

(4)

式中:Ea為圓筒橡膠表觀彈性模量。

圓筒形橡膠的尺寸及受力見圖8。

圖8 圓筒形橡膠彈簧剖視

根據(jù)圖8將式(4)變形為

(5)

Ea=i·G

(6)

式中:Fx為圓筒橡膠所受的軸向壓力;d1、d2分別為圓筒橡膠外圈和內(nèi)圈直徑;L為圓筒橡膠原始厚度;ΔL為圓筒橡膠受壓變形量;i為幾何形狀影響系數(shù);G為圓筒橡膠切變模量。

其中,形狀影響系數(shù)i的求解式為

i=3.6×(1+1.65·s2)

(7)

(8)

式中:s為圓筒橡膠承載面積與自由面積之比。

切變模量G和肖氏硬度HS的關(guān)系見圖9。

圖9 肖氏硬度和切變模量的關(guān)系

G的求解式為

G=0.117e0.034HS

(9)

所以,圓筒橡膠的拉壓剛度k0為

(10)

當(dāng)由p行q列圓筒橡膠塊組合成橡膠彈簧時,其抗壓剛度k為

(11)

3.4 橡膠彈簧受力分析

承壓容器在水下的浮力大于重力,因此緊固帶裝置需要有足夠的拉緊力,來使其穩(wěn)固在艇體基座上[8]。緊固帶裝置受拉后橡膠彈簧被壓縮,其受力簡圖見圖10。

圖10 容器緊固受力示意

為保證緊固的穩(wěn)定性,設(shè)置容器在水下所受的法向緊固力要大于1.5倍的浮力,其受力為

N=2·(F-k·Δx)·sinθ+

W-Fi-1.5·Ff≥0

(12)

式中:N為基座對承壓容器的支反力;F為緊固帶裝置的預(yù)緊力;k為橡膠彈簧拉壓剛度;Δx為承壓容器變形后橡膠彈簧的回彈補(bǔ)償量;θ為緊固帶裝置鋼絲繩組與水平線之間的夾角;W為承壓容器重力;Fi為潛艇下潛時承壓容器的慣性力;Ff為承壓容器的浮力。

綜合式(3)～(12),可以得出緊固帶裝置中橡膠彈簧的預(yù)壓縮量x′的求解式為

(13)

4 緊固帶裝置主要設(shè)計參數(shù)分析選取

圖11 夾角與橡膠彈簧回彈補(bǔ)償量的關(guān)系

取重力加速度為9.8 N/kg,海水密度為1.03 g/cm3,可得出W=1 901.2 N,Ff=5 821.32 N;取潛艇下潛時加速度為4 m/s2,則Fi=776 N;當(dāng)橡膠彈簧剛度一定,取k=200 N/mm,F與θ的關(guān)系見圖12。

圖12 夾角與緊固帶預(yù)緊力的關(guān)系

圖13 橡膠彈簧剛度與緊固帶預(yù)緊力的關(guān)系

可以看出k與F呈線型正相關(guān)。設(shè)計單個圓筒形橡膠d1=20 mm,d2=40 mm,L=10 mm,材料為氯丁橡膠,G=1.82 MPa,可以計算得到k0=277.64 N/mm。為使F盡可能小,可以控制k≤150 N/mm。采用7行3列的排列方式將圓筒橡膠組合成橡膠彈簧,剛度k=118.99 N/mm。

5 緊固帶裝置的水下試驗(yàn)

5.1 緊固帶裝置實(shí)物及裝配

緊固帶裝置的實(shí)物及裝配關(guān)系見圖14,其金屬部分采用316L鋼,橡膠彈簧材料為氯丁橡膠。

圖14 緊固帶裝置實(shí)物及裝配示意

5.2 緊固帶裝置水下緊固試驗(yàn)

通過擰緊壓縮螺栓,利用游標(biāo)卡尺測量調(diào)節(jié)橡膠彈簧的預(yù)壓縮量,見圖15。

將緊固帶裝置與承壓容器裝配完成,模擬潛艇在水下30 m內(nèi)不同潛深航行過程。試驗(yàn)全程用水下攝像機(jī)對承壓容器進(jìn)行拍攝,觀察容器的緊固情況。

5.3 緊固帶裝置可靠性分析

根據(jù)GJB 451A,設(shè)計中的可靠性具體是指緊固帶在水下環(huán)境中對承壓容器的緊固是否穩(wěn)定有效。另外,重復(fù)試驗(yàn)的次數(shù)以及允許失敗的次數(shù)也存在相應(yīng)規(guī)定。

根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計置信水平下限。

(14)

(15)

(16)

式中:S為失敗次數(shù);n為總次數(shù);γ為置信水平;RL為單側(cè)置信下限。

根據(jù)GB/T 4087—2009《數(shù)理統(tǒng)計相關(guān)規(guī)范性標(biāo)準(zhǔn)》,結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)的環(huán)境、人員、場地、試驗(yàn)設(shè)備情況等因素,選取置信水平為0.8。根據(jù)置信水平下限計算公式歸納出經(jīng)驗(yàn)表格,見表3。

表3 試驗(yàn)規(guī)范性表格

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)表格,為了達(dá)到96%以上的可靠性,緊固帶裝置30 m內(nèi)不同潛深的功能性試驗(yàn)至少需要進(jìn)行40次,并且允許緊固失效0次。

在水下30 m內(nèi)環(huán)境下一共進(jìn)行42次試驗(yàn),承壓容器均穩(wěn)定固定在耐壓殼體上,沒有發(fā)生緊固不穩(wěn)定或者失效的情況,表明該緊固帶裝置對承壓容器的緊固可靠性達(dá)到96%以上,滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

6 結(jié)論

以潛艇救生筏系統(tǒng)中的承壓容器緊固裝置為切入點(diǎn),為保證承壓容器水下緊固穩(wěn)定性,提出一種水下緊固帶裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。該緊固帶裝置中的橡膠彈簧能夠自主補(bǔ)償承壓容器在不同水深下產(chǎn)生水壓變形后所減小的緊固力。通過有限元分析和MATLAB數(shù)據(jù)擬合得到了承壓容器在不同潛深下的形變公式,推導(dǎo)了緊固帶裝置中橡膠彈簧預(yù)壓縮量與潛深的關(guān)系式,分析了主要設(shè)計參數(shù)對緊固力的影響及合理取值范圍。實(shí)際水下緊固試驗(yàn)驗(yàn)證了緊固帶裝置的實(shí)用性。