一種深水大功率電源承壓艙的研制

摘要：針對(duì)深水電磁發(fā)射大功率電源的特殊需求，設(shè)計(jì)了一種為電源、電子器件等設(shè)備提供安裝空間的水密承壓艙。對(duì)該承壓艙的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、密封形式和散熱方式進(jìn)行了研究。使用Pro/E軟件建立了承壓艙的三維模型，應(yīng)用集成于Pro/E內(nèi)的ANSYS Workbench軟件對(duì)承壓艙殼體強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行有限元分析，并對(duì)實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行壓力釜模擬外水壓和全系統(tǒng)溫升試驗(yàn)。結(jié)果表明：該承壓艙能夠承受的外水壓不少于1000 m，電源模塊最高溫度穩(wěn)定在90 ℃以內(nèi)，結(jié)構(gòu)、密封和散熱設(shè)計(jì)合理可行，滿足使用要求。本分析設(shè)計(jì)方法及驗(yàn)證結(jié)果為后續(xù)類似及更大水深耐壓殼體的研制提供了參考。

關(guān)鍵詞：電源承壓艙；有限元分析；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；密封；散熱

中圖分類號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.10.009

文章編號(hào)：1006-0316 （2024） 10-0066-07

Development of the Deepwater High Power Pressure Chamber

LIU Jinbiao

（ No.710 R&D Institute， CSSC， Yichang 443003， China ）

Abstract：A deepwater pressure chamber that provides installation space for power supplies， electronic devices and other equipment is developed to meet the special requirements of high-powersupply for deepwater electromagnetic launch. The structure， sealing， and heat dissipation methods are designed and investigated. A three-dimensional model of the pressure chamber is established using Pro/E software. ANSYS Workbench software integrated in Pro/E is applied to conduct finite element analysis on the strength， stiffness， and stability of the shell of the deepwater power pressure chamber. The pressure vessel and the full system temperature rise test are conducted by using a physical prototype. The results show that the pressure chamber can withstand no less than 1000m of external water pressure， and the maximum temperature of the power module is stabled within 90 ℃. The sealing and heat dissipation structure design is reasonable and feasible， meeting the usage requirements， laying a technical foundation for the development of similar and larger deepwater shells.

Key words：power pressure chamber；finite element analysis；structural design；sealing；heat dissipation

隨著人類對(duì)海洋資源的重視以及海洋開發(fā)進(jìn)程的加快，近年來，一種水下電磁通信技術(shù)及裝備應(yīng)運(yùn)而生[1]。該技術(shù)通過一根拖曳纜給承壓艙內(nèi)的電源供電，構(gòu)成發(fā)射源，再通過岸上接收端接收，實(shí)現(xiàn)水下電磁通信。其中，電源由若干塊高電壓、大電流電源模塊組成；承壓艙工作水深約1000 m。由于海水具有導(dǎo)電性能，如果電源模塊和電子器件直接暴露在海水中，通電時(shí)必然發(fā)生短路而燒毀，故需要為其提供密閉耐壓艙，該艙是保證電源正常工作和實(shí)現(xiàn)水下電磁通信技術(shù)的前提條件。針對(duì)水下承壓艙，已有大量研究。如李東梁等[2-3]通過ANSYS軟件對(duì)承壓艙承壓能力進(jìn)行了仿真分析，達(dá)到水下3000 m深度的使用要求。易學(xué)平等[4-5]對(duì)深海承壓艙密封結(jié)構(gòu)和密封圈性能進(jìn)行了仿真計(jì)算和分析，采用2道徑向密封使承壓艙使用水深達(dá)4000 m。

上述研究設(shè)計(jì)的承壓艙工作水深雖較大，但一方面艙體外形尺寸較小，密封圈內(nèi)徑尺寸均在國標(biāo)[10]范圍內(nèi)，密封、承壓和裝配均易實(shí)現(xiàn)，另一方面，內(nèi)部電子器件和電源功率小，無特殊散熱要求。本方案涉及的發(fā)射電源模塊尺寸大，數(shù)量多，輸出電流高達(dá)2000 A，使得承壓艙殼體外形尺寸和重量均較大，密封圈內(nèi)徑遠(yuǎn)超國標(biāo)[10]尺寸，進(jìn)而帶來一系列問題，如大尺寸殼體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性、密封、裝配、散熱等。為解決這些問題，本文對(duì)大尺寸殼體強(qiáng)度進(jìn)行仿真計(jì)算，分析其密封形式和性能，設(shè)計(jì)殼體散熱結(jié)構(gòu)方式，并將其加工成樣機(jī)，進(jìn)行壓力釜模擬水深和全功率散熱性能試驗(yàn)測(cè)試。最終得到一種密封性能好、散熱快、拆裝容易的大尺寸水下承壓艙。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，承壓艙主要由前端蓋、前承壓殼體、后承壓殼體和后端蓋等組成，主要用于安裝電源模塊。共20塊電源模塊，分低壓電源模塊和高壓電源模塊兩組，每組10塊，每塊長(zhǎng)1.3 m。總裝后，艙體最大外徑0.97 m，總長(zhǎng)3.5 m。為便于加工、操作和安裝，將電源承壓艙分為兩段，前承壓殼體、后承壓殼體分別用于安裝高、低壓電源模塊。為便于維護(hù)和更換，各承壓艙段之間、艙段與端蓋之間采用同一種規(guī)格的橡膠密封圈密封。為迅速降低電源溫升，前后承壓殼體內(nèi)壁均設(shè)計(jì)為正十邊形結(jié)構(gòu)，如圖2所示。通過螺釘壓緊每塊電源模塊，使其與艙內(nèi)壁緊密貼合，使得電源模塊產(chǎn)生的熱量能夠及時(shí)傳導(dǎo)出去。為提高殼體承壓能力，殼體外形采用圓柱型并外加環(huán)形筋，前后端蓋均采用球冠式結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)與外界的信息交換，前端蓋設(shè)計(jì)有五個(gè)電纜插座安裝孔、一個(gè)氣密檢驗(yàn)孔和一個(gè)壓力傳感器安裝孔，后端蓋設(shè)計(jì)有16個(gè)電纜插座安裝孔，所有孔皆沿圓周方向均布，用于安裝電纜插頭和傳感器。

目前大深度海洋探測(cè)設(shè)備耐壓殼體選用的材料主要有鈦合金、不銹鋼、高強(qiáng)度鋁合金等，部分材料性能表1所示。可以看出，鈦合金重量輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕，但價(jià)格昂貴、加工復(fù)雜（包括焊接）、導(dǎo)熱性能差；不銹鋼雖耐腐蝕，但比強(qiáng)度低、重量重、導(dǎo)熱性能較差；高強(qiáng)度鋁合金7050-T6比強(qiáng)度高、獲取容易、加工周期短、價(jià)格相對(duì)便宜、導(dǎo)熱性能優(yōu)良，但比剛度低、抗腐蝕性不強(qiáng)。綜合考慮重量、經(jīng)濟(jì)性和導(dǎo)熱性等因素，選擇鋁合金7050-T6作為承壓艙材料，在承壓艙外表面進(jìn)行氧化處理，并噴涂防腐漆，提高材料的抗腐蝕性能。

2 密封設(shè)計(jì)

水下設(shè)備深度每增加1000 m，其外壓力增加約1 MPa[7]。本承壓艙工作水深1000 m，需承受10 MPa的水壓力。為保證內(nèi)部部件和儀器不受損壞，可靠的密封至關(guān)重要。本承壓艙主要涉及以下幾種密封。

（1）前后端蓋各孔的密封

氣密檢驗(yàn)孔和壓力傳感器孔采用標(biāo)準(zhǔn)堵頭和壓力傳感器ED密封墊實(shí)現(xiàn)密封[8]。該種密封形式已在其他產(chǎn)品成功應(yīng)用，密封壓力不低于20 MPa。電纜插座采用O型密封圈密封，以往產(chǎn)品常在端蓋上開螺紋孔，通過螺紋旋入端蓋壓緊密封圈實(shí)現(xiàn)密封，但螺紋旋轉(zhuǎn)過程中，O型圈也跟著旋轉(zhuǎn)，旋緊后無法判斷密封圈是否存在擦傷，故螺紋旋轉(zhuǎn)壓緊密封特別是在水壓較大時(shí)存在泄漏隱患。本方案在端蓋上開光孔，電纜插座插入蓋板內(nèi)通過背面旋緊螺母實(shí)現(xiàn)密封，避免密封圈因旋轉(zhuǎn)而損傷。密封結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

（2）端蓋與殼體及殼體之間的密封

結(jié)合承壓艙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作環(huán)境要求，端蓋與殼體及殼體之間采用O型橡膠密封圈密封，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝緊湊、密封性好、拆卸便利、摩擦阻力小。工程上O型橡膠密封圈通常采用氟橡膠、丁腈橡膠和硅橡膠，性能如表2所示，對(duì)比后選用氟橡膠。

常見承壓艙密封結(jié)構(gòu)形式主要由三種：徑向密封、軸向端面密封、徑向和軸向組合密封。徑向密封加工精度高，需要較高的同軸度，裝配困難，適用于小尺寸承壓艙；軸向端面密封加工簡(jiǎn)單，僅需要一定的平面度和粗糙度，裝配便利，適用于大尺寸承壓艙，如壓力釜；徑向和軸向組合密封兼具二者的優(yōu)缺點(diǎn)。本承壓艙密封直徑大于870 mm，根據(jù)機(jī)械密封設(shè)計(jì)手冊(cè)[10]，該直徑遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)密封圈尺寸，屬于大尺寸承壓艙密封，故本承壓艙采用軸向端面密封，如圖4所示。

影響軸向密封的主要因素包括密封圈的壓縮率、端蓋密封面和耐壓艙密封面的間隙大小、密封槽表面粗糙度及尺寸公差，次要因素包括表面粗糙度、密封槽形狀誤差等。軸向靜密封中，O形圈的壓縮率一般在15%～25%。壓縮率過小工作時(shí)達(dá)不到密封壓力，過大則容易使O形圈變形過大難以恢復(fù)甚至撕裂。本承壓艙O型密封圈直徑Φ7 mm±0.15 mm，溝槽深度5.6 mm～5.7 mm，溝槽尺寸大小及公差參照GB/T 3452.3－2005[10]。對(duì)于端面軸向密封，通過螺釘將密封面壓緊，基本無間隙，不容易擠出，無需加擋圈。實(shí)際中，法蘭面加工存在一定的平面度誤差，如常用車床加工精度9級(jí)，平面度誤差為0.12 mm。假如結(jié)構(gòu)的實(shí)際誤差正好處于對(duì)密封最不利的狀態(tài)，即取無螺釘預(yù)緊力時(shí)兩法蘭面之間的間隙最大值為0.12＋0.12＝0.24 mm，溝槽深度最小5.8 mm，O形密封圈直徑6.85 mm，則O形密封圈最小壓縮量為6.85 mm－0.24 mm－5.8 mm＝0.81 mm，壓縮率為0.81/6.85＝11.8%。密封圈尺寸間隙、壓力和硬度之間關(guān)系圖如圖5所示，可以看出，0.24 mm間隙下邵氏硬度為HA70的O型圈滿足不了使用工況要求，需將O型圈邵氏硬度提高至HA80以上，彌補(bǔ)壓縮量過小密封壓力不足問題，以滿足水壓密封要求。

3 殼體強(qiáng)度計(jì)算

本文采用ANSYS Workbench軟件[11]對(duì)承壓艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性校核。

3.1 建立有限元模型

為建立合理的有限元力學(xué)模型、提高網(wǎng)格質(zhì)量、加快計(jì)算速度，對(duì)通過Pro/E軟件建立的承壓艙三維模型在導(dǎo)入ANSYS Workbench前進(jìn)行模型簡(jiǎn)化處理：①對(duì)主要的承載部位及其結(jié)構(gòu)，盡量保證原結(jié)構(gòu)的形狀和位置，使計(jì)算模型的幾何特征、力學(xué)特征和真實(shí)情況相近；②對(duì)非主要承載部位及其結(jié)構(gòu)，不予考慮或予以簡(jiǎn)化，忽略倒角、倒圓、小孔和螺紋等小特征。承壓艙殼體采用solid186實(shí)體單元、六面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元大小控制為5 mm，其中單元數(shù)目為70 751，節(jié)點(diǎn)數(shù)目為131 307。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6所示。

3.2 載荷與邊界條件

承壓艙工作水深1000 m，壓力負(fù)載為外水壓10 MPa。考慮到材料本身存在缺陷和加工誤差，設(shè)計(jì)取1.25倍安全系數(shù)[12]，即12.5 MPa。

承壓艙主要受水壓和自身重量，將高壓電源模塊和低壓電源模塊安裝艙底部固定座設(shè)為固定約束，外表面施加12.5 MPa壓力，其受力和約束如圖7所示。

3.3 強(qiáng)度和剛度分析

運(yùn)用ANSYS Workbench進(jìn)行仿真計(jì)算，得出前后端蓋、前后承壓殼體的總變形位移云圖和等效應(yīng)力云圖，結(jié)果如圖8、圖9、表3所示。可以看出，各部件最大等效應(yīng)力均小于給定材料鋁合金7050-T4的屈服極限405.0 MPa，強(qiáng)度和剛度均滿足要求。

3.4 殼體屈曲分析

根據(jù)GB/T 150.1－2011[13]，對(duì)于承受外壓的容器，當(dāng)直徑與壁厚比值大于20時(shí)，屈曲失效很可能先于塑形垮塌失效出現(xiàn)。本承壓艙筒體外徑970 mm，壁厚20 mm，比值遠(yuǎn)大于20，為保證結(jié)構(gòu)安全，需進(jìn)行承壓艙殼體裝配后的線性屈曲分析計(jì)算。

通常情況下，結(jié)構(gòu)的較低階模態(tài)（一般為1階）對(duì)應(yīng)著結(jié)構(gòu)較薄弱的抵抗能力，因此采用1階對(duì)殼體彈性穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，在此基礎(chǔ)上對(duì)模型6階模態(tài)擴(kuò)展，并進(jìn)行特征值屈曲計(jì)算[14]，結(jié)果如圖10所示。可以看出，承壓艙殼體第1階屈曲載荷因子為4.9297，即在施加載荷（12.5 MPa）4.9297倍下，電源艙殼體結(jié)構(gòu)才會(huì)發(fā)生1階模態(tài)形式失穩(wěn)。因此，承壓艙殼體結(jié)構(gòu)滿足穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要求。

4 重要性能試驗(yàn)

（1）耐壓和密封試驗(yàn)

為驗(yàn)證承壓艙的承壓密封能否滿足指標(biāo)要求，對(duì)承壓艙樣機(jī)進(jìn)行壓力釜模擬深水外壓試驗(yàn)，如圖11所示。

緩慢升壓至11.5 MPa，保壓120 min，再緩慢泄壓，壓力變化曲線如圖12所示，保壓期間壓力無明顯變化。試驗(yàn)后檢驗(yàn)承壓艙無變形、破損，打開承壓艙前后端蓋，艙內(nèi)無水，密封性能良好。

（2）溫升測(cè)試

為驗(yàn)證承壓艙的熱傳導(dǎo)能力，如圖13所示，將電源模塊裝配至承壓艙內(nèi)，吊入水池中進(jìn)行滿功率測(cè)試，實(shí)時(shí)監(jiān)控艙內(nèi)各模塊溫度。測(cè)試結(jié)果表明：承壓艙能夠?qū)崃考皶r(shí)傳導(dǎo)出去，各電源模塊最高溫度穩(wěn)定在90 ℃以內(nèi)，無異常及損壞，滿足使用要求。

5 結(jié)語

對(duì)深水電源承壓艙結(jié)構(gòu)、密封和散熱進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過有限元強(qiáng)度仿真分析及性能試驗(yàn)驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

（1）承壓艙最大應(yīng)力和變形均在材料屈服強(qiáng)度內(nèi)，前后端蓋和前后承壓殼體均滿足強(qiáng)度和變形要求；承壓艙殼體第1階屈曲載荷因子為4.9297，承壓艙殼體滿足穩(wěn)定性要求。

（2）在外水壓11.5 MPa下，承壓艙樣機(jī)殼體無變形、損傷和艙內(nèi)漏水現(xiàn)象，驗(yàn)證了仿真計(jì)算方法的正確性。

（3）軸向端面密封結(jié)構(gòu)適用于大尺寸承壓艙，其相對(duì)于徑向密封結(jié)構(gòu)使得艙體裝配和拆卸簡(jiǎn)單易行，節(jié)省了時(shí)間，提高了效率。

（4）電源模塊產(chǎn)生的熱量能夠通過承壓艙內(nèi)十邊形的每個(gè)底面及時(shí)傳導(dǎo)出去，最高溫度穩(wěn)定在90 ℃以內(nèi)，滿足使用要求。該十邊形結(jié)構(gòu)具有較好的散熱能力。

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