一种分层调压潜水器及其制造方法 |
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| 申请号 | CN201610306305.4 | 申请日 | 2016-05-10 | 公开(公告)号 | CN105947153A | 公开(公告)日 | 2016-09-21 |
| 申请人 | 中国科学院力学研究所; | 发明人 | 魏宇杰; 张吟; 方新; 刘小明; 宋宏伟; 雷现奇; | ||||
| 摘要 | 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。 | ||||||
| 权利要求 | 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。 |
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| 说明书全文 | 一种分层调压潜水器及其制造方法技术领域背景技术[0002] 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。 [0003] 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。 [0004] 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[0005] 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。 [0006] 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。 [0007] 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。 [0008] 还提供了一种分层调压潜水器的制造方法，包括以下步骤： [0009] (1)制造外壳和内壳； [0010] (2)通过若干个短柱连接外壳和内壳； [0011] (3)在外壳和内壳之间设置液压油； [0013] 图1是根据本发明的分层调压潜水器的结构示意图。 [0014] 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。 [0015] 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Papp分别为40，55，70MPa)。 [0016] 图4是柱壳(cylindrical shell)的结构示意图。 [0017] 图5是层间桁架屈曲分析图。 [0018] 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[0019] 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。 [0020] 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。 [0021] 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。 [0022] 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。 [0023] 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。 [0024] 另外，相邻两层球壳之间的指定压力全部相同。 [0025] 或者，相邻两层球壳之间的指定压力从外向内逐渐递减。 [0027] 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。 [0028] 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Rin＝0.75m，外层壳的半径为Rout＝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。 [0029] 图2中：Rout:外层壳的内径；Rin:内层壳的内径；tout:外层壳的厚度；tin:内层壳的厚度；Pout:外部压力(深海压力环境)；Pin:内部压力环境(人居环境)；Papp:可调节的压力。 [0030] 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Papp分别为40，55，70MPa)。 [0031] 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Pout。导致亚结构屈曲失稳的临界水压力Pout，可近似表达如下： [0032] [0033] 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。 [0034] 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，Ro和Ri分别为外层和内层壳的半径；to和ti分别为外层和内层壳的厚度；do和di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： [0035] [0036] 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。 [0037] 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： [0038] (1)制造外壳和内壳； [0039] (2)通过若干个短柱连接外壳和内壳； [0040] (3)在外壳和内壳之间设置液压油； [0041] (4)通过充压设备向液压油加压到指定压力。 [0042] 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。 [0043] 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。 |
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