CN105947153A - 一种分层调压潜水器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分层调压潜水器,其能够降低对壳体的制备工艺要求，显著降低壳体的应力水平，提高耐压舱塑性屈服安全系数，进而有效增加疲劳寿命。这种分层调压潜水器，潜水器外面的压力≤120MPa，潜水器里面的压力为0.1MPa，该分层调压潜水器包括n层球壳，n为大于1的整数，这些球壳具有同一个球心，相邻两层球壳之间设有充入指定压力的分压物。本专利还提供了一种分层调压潜水器的制造方法。

Description

一种分层调压潜水器及其制造方法

技术领域

本发明属于结构力学和材料力学的技术领域，具体地涉及一种分层调压潜水器，以及这种分层调压潜水器的制造方法。

背景技术

现今各国发展的深海载人潜水器耐压舱结构均为单层球壳，材料体系主要有高强钢和钛合金两种。目前下潜最深的是美国的“深海挑战者”号，下潜深度为10908米。此前深海载人潜水器耐压舱的突破主要在材料和加工精度两个方面。以“深海挑战者”为例，其耐压壳体为钢制壳体，内径1.1米，厚度0.066米，在宾州州立大学的实验室的两次测试中，该结构均顺利通过114MPa全海深压力测试。从测试安装的22个应变片的实验数据分析，该结构能承受114×1.4＝159.6MPa的压力而不发生屈曲。简单地计算表明，该球壳环向的压应力已达1000MPa左右。

除了材料特性，结构的加工精度也会影响结构的抗压/抗屈曲的能力。现今的深潜器球壳加工精度的要求都非常高，以日本“深海6500”制造工艺的精度为例，球壳的真球度(即实测的曲率半径和标准曲率半径的比)已近1.004。另外，现有的耐压壳体安全系数较低，过高的应力水平会使疲劳寿命大幅降低。

现今，在材料强度和加工精度方面，提升空间都已很小。只有研发新型耐压舱结构，摆脱对材料强度和加工精度的依赖，才是新一代深潜器发展的 途径。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种分层调压潜水器,其能够显著降低壳体的应力水平，降低对壳体的制备工艺要求，提高耐压舱塑性屈服安全系数，进而有效增加疲劳寿命。

本发明的技术解决方案是：这种分层调压潜水器，潜水器外面的压力≤120MPa，潜水器里面的压力为0.1MPa，该分层调压潜水器包括n层球壳，n为大于1的整数，这些球壳具有同一个球心，相邻两层球壳之间设有充入指定压力的分压物。

本发明可以将深海高超压力分解到n层球壳上，由n层球壳比较均匀地分担，因此能够显著降低壳体的应力水平，降低对壳体的制备工艺要求，提高耐压舱塑性屈服安全系数，进而有效增加疲劳寿命。

还提供了一种分层调压潜水器的制造方法，包括以下步骤：

(1)制造外壳和内壳；

(2)通过若干个短柱连接外壳和内壳；

(3)在外壳和内壳之间设置液压油；

(4)通过充压设备向液压油加压到指定压力。

附图说明

图1是根据本发明的分层调压潜水器的结构示意图。

图2是根据本发明的分层调压潜水器的一个优选实施例的结构示意图。

图3示出了双层结构沿壁厚的等效应力分布(两层壳间压力P_app分别为40，55，70MPa)。

图4是柱壳(cylindrical shell)的结构示意图。

图5是层间桁架屈曲分析图。

图6是根据本发明的分层调压潜水器的制造方法的流程图。

具体实施方式

从力学设计来看，耐压壳的关键力学问题涉及弹性失稳和塑性屈服。从弹性失稳角度来看，由三维空间微桁架结构组成的点阵材料夹层结构具有高比刚度、比强度、多功能性等特点，能有效提高耐压舱结构抗屈曲能力。而基于层间充压的分层分压舱的结构设计，则可以将深海超高压力分解，由内外壳体比较均匀地分担，显著降低壳体的应力水平，提高耐压舱塑性屈服安全系数，从而有效增加疲劳寿命。因此，基于层间充压的分层分压舱具有广阔的发展前景。

申请人研制的分层调压潜水器如图1所示，潜水器外面的压力≤120MPa，潜水器里面的压力为0.1MPa，该分层调压潜水器包括n层球壳，n为大于1的整数，这些球壳具有同一个球心，相邻两层球壳之间设有充入指定压力的分压物。

本发明可以将深海高超压力分解到n层球壳上，由n层球壳比较均匀地分担，因此能够显著降低壳体的应力水平，提高耐压舱塑性屈服安全系数，进而有效增加疲劳寿命。

另外，相邻两层球壳通过若干个短柱(可以是金属桁架)连接。这可以根据一定的规律来实现连接，例如层间点阵桁架设计(在下文中将详细描述)，从而使相邻两层球壳之间连接更加牢靠，并且达到短柱使用量最少。壳体间通过层间点阵和桁架连接，充分利用点阵夹层结构的高比强度、高比刚度的特点，点阵和桁架即保证结构的完整性，同时还能承受部分压力。通过设计层间点阵或者桁架结构的分布参数，有效减低壳体中的等效应力，同时提高结构的抗屈曲能力。结构上，桁架将球壳分解为若干亚结构，桁架结构的分布参数决定亚结构的形状，大小以及最终的抗压和抗屈曲能力。保证每个亚 结构的安全，以及由相互作用的亚结构构成的整体结构的安全是研究的重中之重。同时桁架的几何参数也是重要的设计指标，其几何参数的优化可以提高桁架结构抗屈曲能力。两个金属壳体之间除金属桁架连接外，还可以考虑采用高分子聚合物，既可增加结构的刚度和临界屈曲压力，也可起到密封作用。此外，整体结构是金属-聚合物/金属桁架-金属的复合结构，这种硬-软-硬的阻抗不匹配结构使得外部的冲击波很难传到内层壳结构，对意外的碰撞、爆炸与冲击起到良好的防护作用。

另外，所述分压物可以为液压油。这样比使用海水等分压物更加减轻潜水器的重量。

另外，相邻两层球壳之间的指定压力全部相同。

或者，相邻两层球壳之间的指定压力从外向内逐渐递减。

另外，如图2所示，n＝2，球壳包括外壳和内壳，外壳和内壳采用高强度钢、钛合金、高强度铝合金、透明玻璃中的一种或两种。

另外，外壳和内壳之间的指定压力为50MPa，外壳的内径是0.85米，内壳的内径是0.75米，两层壳的厚度均为0.075米。

结构设计的思路就是降低结构材料所承受的(压)应力，从而提高结构的可靠性和寿命。理论分析证实了以上设计能有效降低应力，图2给出为双层分压结构的示意图(无桁架结构)。根据设计要求，内层壳半径为R_in＝0.75m，外层壳的半径为R_out＝0.85m，两层壳的厚度均为0.075m。深海环境10000米，外部压力为100MPa，内部压强为人居工作环境压力为0.1MPa。中间加压部分施加不同的压力，得到沿壁厚度的Mises应力分布如图3所示。可以发现通过调整中间施加的压力的大小(分别为40MPa，55MPa，70MPa)，Mises应力在各层壳体间的分布不一样。在层间充压为55MPa时，与单层壳体(厚度为0.15m)相比，内层的等效Mises应力显著减低。这样的设计可更好地保障内层壳体的安全。这里初步 计算的只是最简单情况，即两层球壳的厚度是一样的。两层球壳的厚度的分配也是优化的内容之一。

图2中：R_out:外层壳的内径；R_in:内层壳的内径；t_out:外层壳的厚度；t_in:内层壳的厚度；P_out:外部压力(深海压力环境)；P_in:内部压力环境(人居环境)；P_app:可调节的压力。

图3示出了双层结构沿壁厚的等效应力分布(两层壳间压力P_app分别为40，55，70MPa)。

更进一步地，两层球壳间由桁架连接分割为亚结构，该亚结构为柱壳(cylindrical shell)而整体结构为球壳(spherical shell),如图4所示。P为柱壳面内压力，该面内压力源于法向的水压力P_out。导致亚结构屈曲失稳的临界水压力P_out，可近似表达如下：

$p_{out}\≈\frac{2t^3{\mathrm{\π}}^2{E}^{*}}{3{\mathrm{Ra}}^2(1-v^2)}---\left(1\right)$

这里，E^*＝E/(1-ν)为双轴模量(biaxial modulus)；其中E为杨氏模量，ν为泊松比。a为柱壳(弧)边长；R为球壳半径；t为球壳厚度。从公式(1)上可以看出导致亚结构屈曲的临界水压主要就是两个无量纲参数：t/R和t/a来决定的。从结构实用性上讲，R作为载人不能太小，t因为轻质化的目标又不能太大，这样就决定了t/R是一个小的数；a是由桁架数量决定的，数量越多，a越小。增加桁架数量是有效抗屈曲的办法，临界水压是随t/a的平方增加的。结构上讲这是双层桁架结构的最大优势。

桁架结构是一个约束机构，其所受的轴向力是由内外壳体的位移决定的。如图5所示，R_o和R_i分别为外层和内层壳的半径；t_o和t_i分别为外层和内层壳的厚度；d_o和d_i分别为外层和内层壳受压后移动的位移，可以根据图5推导得到临界压力载荷与临界屈曲应变为，桁架屈曲的临界压力载荷为：

$F_{cr}=C\frac{EI}{{(R_o-R_i)}^2}---\left(2\right)$

其中对于两端固支的梁，C＝4π²，对于两端简支的梁，C＝π²。对应的临界屈曲应变为因此，在实际工程中，只要桁架足够短，临界的压力以及屈曲应变会比较大，屈曲是很难发生的。

如图6所示，还提供了一种分层调压潜水器的制造方法，包括以下步骤：

(1)制造外壳和内壳；

(2)通过若干个短柱连接外壳和内壳；

(3)在外壳和内壳之间设置液压油；

(4)通过充压设备向液压油加压到指定压力。

另外，外壳和内壳之间的指定压力为50MPa，外壳的内径是0.85米，内壳的内径是0.75米，两层壳的厚度均为0.075米。另外，所述步骤(1)中制造外壳和内壳的方式为半球冲压加电子束焊接、分瓣冲压加手工窄间隙氩弧焊、或半球铸造加螺栓连接。

通过分层结构、分压设计、点阵桁架、材料匹配等方案实现高性能新概念潜水器耐压壳结构的总体设计。首先，采用分层结构设计，通过中间层充压与即时压力调整技术，将深海的巨大压力分解成两个或多个部分，分别由两个或多个壳体来承压，降低每个壳体所承受的压力，达到降低对材料强度的要求，降低加工工艺要求。其次，壳体间通过层间点阵和桁架连接，充分利用点阵夹层结构的高比强度、高比刚度的特点，点阵和桁架即保证结构的完整性，同时还能承受部分压力。本发明在保障安全的前提下，实现了结构轻量化，提高了可靠性和重复使用性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种分层调压潜水器，潜水器外面的压力≤120MPa，潜水器里面的压力为0.1MPa，其特征在于：该分层调压潜水器包括n层球壳，n为大于1的整数，这些球壳具有同一个球心，相邻两层球壳之间设有充入指定压力的分压物。

2.根据权利要求1所述的分层调压潜水器，其特征在于：相邻两层球壳通过若干个短柱连接。

3.根据权利要求2所述的分层调压潜水器，其特征在于：所述分压物为液压油。

4.根据权利要求3所述的分层调压潜水器，其特征在于：相邻两层球壳之间的指定压力全部相同。

5.根据权利要求3所述的分层调压潜水器，其特征在于：相邻两层球壳之间的指定压力从外向内逐渐递减。

6.根据权利要求3所述的分层调压潜水器，其特征在于：n＝2，球壳包括外壳和内壳，外壳和内壳采用高强度钢、钛合金、高强度铝合金、透明玻璃中的一种或两种。

7.根据权利要求6所述的分层调压潜水器，其特征在于：外壳和内壳之间的指定压力为50MPa，外壳的内径是0.85米，内壳的内径是0.75米，两层壳的厚度均为0.075米。

8.一种根据权利要求3所述的分层调压潜水器的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)制造外壳和内壳；

(2)通过若干个短柱连接外壳和内壳；

(3)在外壳和内壳之间设置液压油；

(4)通过充压设备向液压油加压到指定压力。

9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于：外壳和内壳之间的指定压力为50MPa，外壳的内径是0.85米，内壳的内径是0.75米，两层壳的厚度均为0.075米。

10.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于：所述步骤(1)中制造外壳和内壳的方式为半球冲压加电子束焊接、分瓣冲压加手工窄间隙氩弧焊、或半球铸造加螺栓连接。