金杭超李春風

（1.瑞利科技有限公司 新能源事業(yè)部，杭州，310023）

（2.中國人民解放軍第91388部隊，湛江，524022）

一種水聽器儀器艙體的設(shè)計研究

金杭超1李春風2

（1.瑞利科技有限公司 新能源事業(yè)部，杭州，310023）

（2.中國人民解放軍第91388部隊，湛江，524022）

針對自容式水聽器工作環(huán)境的要求，設(shè)計了一種可在水下300 m深處工作的水聽器儀器艙，主要由圓柱形筒體和可安裝工作器件的兩個端蓋組成。根據(jù)艙體的設(shè)計要求，合理選擇殼體和端蓋厚度，并對艙體的壓力穩(wěn)定性、耐壓強度進行了分析、計算和仿真。著重解決了儀器艙的耐壓、密封和防腐蝕三個關(guān)鍵問題，壓力試驗表明儀器艙滿足使用要求。

耐壓儀器艙；密封；壓力試驗；結(jié)構(gòu)

隨著人們對海洋環(huán)境探索的深入，對水下目標的探測、識別、定位導航和通信技術(shù)需求也逐漸增大。由于聲波在海水中具有與電磁波等其他物理場相比最小的衰減系數(shù)[1]，因而，水聲探測技術(shù)逐漸成為人類主要的海洋信息獲取工具之一。實際工程應(yīng)用中，水聲系統(tǒng)基本都是基于聲壓水聽器及水聽器陣的聲壓信息工作的。

水聲探測設(shè)備研制的關(guān)鍵問題之一是電路電源等器件的密封問題，通常是將它們放置在水密耐壓艙體內(nèi)。耐壓儀器艙作為主要的承壓部件，可在復雜的海洋環(huán)境中為水聽器等設(shè)備提供安全、穩(wěn)定、可靠的運行環(huán)境。本文設(shè)計了一種可水下300 m工作的水聽器儀器艙體，具有軸向安裝支架，可安裝多種水下工作器件，且為艙體設(shè)計了一種快速連接裝置，可方便快捷地形成水聽器陣。同時，對艙體的耐壓、水密等性能進行了試驗和討論。

1 耐壓艙體的設(shè)計

1.1 儀器艙結(jié)構(gòu)組成

水聽器儀器艙結(jié)構(gòu)見圖1，其主要功能是為自容式水聽器、溫深傳感器、通訊接口以及水聲信號記錄儀提供工作艙，且可安裝電源部件，持續(xù)供能，并能方便快捷地形成水聽器陣。從艙體耐壓性能、加工工藝性、空間利用率以及減小水下迎流阻力等方面考慮，將艙體設(shè)計為圓柱形筒體結(jié)構(gòu)[2]，殼體兩端加平蓋，兩個端蓋都用均布在圓周上的四個螺釘與殼體相連接。端蓋與殼體之間采用雙道徑向O形圈密封。兩端蓋上均開有通孔，便于安裝水聽器、溫深傳感器以及SUBCONN水密接頭，并預(yù)留保護架安裝孔。殼體內(nèi)部設(shè)置電路安裝板和電池艙，并通過螺紋與上端蓋連接為一體，形成軸向安裝支架。

圖1 水聽器儀器艙結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：（1）主要安裝部件均安裝于上下端蓋，便于拆卸、維護。（2）采用多分體式結(jié)構(gòu)，便于加工制造；（3）端蓋使用雙道徑向O形圈進行密封，結(jié)構(gòu)簡單、密封可靠；（4）上端蓋安裝有保護架，可有效防止關(guān)鍵部件遭到碰撞等損傷；（5）內(nèi)部器件安裝于軸向支架上，安裝、拆卸方便，并有利于各部件相互連接。

1.2 材料選用

考慮到海洋環(huán)境條件中將面臨的靜水壓和腐蝕問題,制造水下耐壓容器的材料一般采用具有高比強度、高比剛度的金屬或非金屬材料[3]，例如鈦合金、鋁合金、不銹鋼、纖維增強復合材料等，以保證所設(shè)計的水密儀器艙在給定的海洋環(huán)境下具有良好的性能。此外，在選擇殼體材料時，還必須綜合考慮材料的研制成本和材料是否容易獲得以及可焊性、可成型性等因素?？紤]到 316L不銹鋼在海洋儀器中的廣泛應(yīng)用，本文中的耐壓殼體、端蓋、保護架均采用 316L不銹鋼制造而成，同時，為盡量減小儀器艙重量，電路安裝板和電池艙采用強化鋁合金LY12-CZ加工而成。

1.3 耐壓殼體設(shè)計

根據(jù)設(shè)備的使用環(huán)境，提出水聽器儀器艙的設(shè)計要求為：

（1）最大工作深度為水下300 m，即能承受不小于3 MPa的外部靜壓力；

（2）根據(jù)內(nèi)部安裝電路和電池組等零部件的要求，設(shè)計殼體長度為L=434 mm，殼體內(nèi)徑Di=60 mm。

由于該殼體承受外部壓力較大，因此設(shè)計殼體為厚壁圓筒，須考慮強度失效和失穩(wěn)兩種情況[4]。厚壁外壓圓筒的許用壓力計算公式為：

式中：δe為圓筒的有效厚度；Do為殼體外徑；B為系數(shù)，σo為應(yīng)力，。

計算步驟為：

（1）假設(shè)名義厚度δn，通過計算得知材料有效厚度δe=δn?C1?C2，其中C1為材料負偏差，C2為腐蝕裕量；

（4）按式（1）計算得[p]值；

（5）比較[p]是否大于設(shè)計壓力pc，否則再增大δn，直至滿足要求。

設(shè)計中選用的材料為 316L不銹鋼，設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力[σ]t=99 MPa，條件屈服強度MPa。此外，由于選用的是 316L不銹鋼管材，材料負偏差C1=10%δn，材料為耐腐蝕材料，則取腐蝕裕量C2=0計余量，通過計算得知，當δn=3.5 mm時，許用壓力[p]=4.8 MPa，大于pc，符合設(shè)計要求。

由圓筒臨界長度公式[4]

計算得到：Lcr=361.53 mm，L＞Lcr，則該儀器艙為長圓筒。

可由長圓筒許用壓強計算公式計算得到：

其中[p]為許用壓強；E為材料316L不銹鋼的彈性模量；μ為材料316L不銹鋼的泊松比；m為設(shè)計安全系數(shù)，取m=3；由需求可知，設(shè)計耐壓強度為水下300 m，即設(shè)計壓強pc=3 MPa。則[p]＞pc，選用材料及設(shè)計尺寸符合耐壓要求。

1.4 端蓋設(shè)計

兩端蓋同樣采用 316L不銹鋼加工而成，由于端蓋上需安裝水聽器等儀器，則端蓋形式采用平端蓋。平端蓋厚度計算公式為[4]：

式中：δp為平端蓋計算厚度；Dc為平端蓋計算直徑；K為結(jié)構(gòu)特征系數(shù)；pc為設(shè)計壓力；[σ]t為材料設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力；φ為焊接接頭系數(shù)，無焊接時φ=1。通過計算得到平端蓋的計算厚度為δp=6.29 mm，因端蓋上開有水聽器安裝孔，應(yīng)對端蓋進行補強計算。補強方式為增加端蓋厚度，先計算削弱系數(shù)：

選用的水聽器安裝孔直徑為12 mm，溫深傳感器安裝孔直徑為10.3 mm，則計算得知，υ=0.63，補強后端蓋厚度為6.56 mm?？紤]到端蓋與殼體之間的兩道徑向密封圈槽寬度以及與徑向支架的螺紋連接長度，最終確定端蓋厚度為30 mm。

1.5 密封設(shè)計

密封結(jié)構(gòu)是水下耐壓艙體的重要結(jié)構(gòu)，是保證整個設(shè)備可靠運行的關(guān)鍵。本設(shè)計中密封形式采用雙道徑向密封，密封材料為橡膠O形密封圈，密封結(jié)構(gòu)見圖2。這種密封形式應(yīng)用廣泛，具有斷面結(jié)構(gòu)簡單、尺寸輕巧、安裝部位緊湊、裝拆方便、自密封性好、成本低廉、無需周期性調(diào)整等優(yōu)點，可滿足在不同介質(zhì)中工作的要求，且尺寸和溝槽都已實現(xiàn)標準化，價格便宜，互換性強，對溫度和壓力的適應(yīng)性好[5]。

圖2 艙體密封結(jié)構(gòu)示意圖

1.6 快速連接裝置設(shè)計

為方便儀器艙外部連接，在儀器艙的兩端各設(shè)置一個卡箍快卸機構(gòu)，示意圖見圖3。該裝置由卡箍、夾緊塊、壓緊塊、螺釘、鉸制孔螺栓等多個小零件組裝而成?？ü堪惭b在儀器艙外殼卡槽處，可有效防止裝置脫離。卡箍通過兩顆沉頭螺釘與夾緊塊相連接為一體。另外，通過旋動六角頭螺栓可使卡箍與儀器艙外殼抱緊或松脫。夾緊塊與壓緊塊通過鉸制孔螺栓連接，旋轉(zhuǎn)到位后須緊螺母以防止兩者相互轉(zhuǎn)動。線纜穿過夾緊塊和壓緊塊之間的圓孔之后，旋動內(nèi)六角頭螺釘可使裝置夾緊線纜，必要時亦可在圓孔內(nèi)襯防滑墊，防止線纜滑脫。該結(jié)構(gòu)利用金屬彈性對線纜進行鎖緊，且操作方便，可自鎖，有效防止松脫，具有連接快速可靠、適應(yīng)性好等優(yōu)點。

圖3 快速連接裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 壓力仿真

通過Ansys軟件對水聽器儀器艙的結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性進行仿真計算，依據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化儀器艙設(shè)計。首先對儀器艙進行proe建模，并賦予其材料屬性為楊氏模量為1.93×105MPa，泊松比為0.31，屈服強度為 2.07×102MPa，屈服極限強度 5.86×102MPa。接著對儀器艙進行網(wǎng)格劃分，劃分為51 388個網(wǎng)格，節(jié)點個數(shù)85 974，并施加載荷3 MPa。從圖4中可以看出物體的最大變形在上下兩端面，變形最大位移為0.016 mm，最大等效應(yīng)力發(fā)生在圓筒錐面過渡處，與實際相符，最大等效應(yīng)力為 66.8 MPa，則最小安全系數(shù)為3.09，超出規(guī)定的安全系數(shù)，結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求。仿真結(jié)果見圖4。

圖4 水聽器儀器艙仿真結(jié)果

3 壓力試驗

儀器艙加工完成后，需要進行壓力試驗。由于水聽器艙使用環(huán)境為海洋，所以采用液壓試驗，試驗液體選用水，檢驗其耐壓能力的同時也便于觀察其水密性能。對儀器艙壓力試驗時應(yīng)力進行校核，外壓容器液壓試驗公式為：

則試驗壓力下艙體的應(yīng)力:

另，σt應(yīng)滿足σt≤[σ]t=0.9σ0.2。經(jīng)計算，試驗壓力，pt=3.75 MPa，水聽器艙試驗壓力下的應(yīng)力為σt=37.59 MPa，而壓力試驗允許通過的應(yīng)力[σ]t=162 MPa，滿足液壓試驗要求。

水聽器儀器艙加工完成，組裝后放入高壓試驗罐中對其進行壓力試驗。緩慢加壓至3.75 Mpa，加壓保持5 min，不泄壓。取出儀器艙擦干表面，晾干水漬后打開儀器艙端蓋，觀察到艙內(nèi)無滲漏水，即驗證了儀器艙滿足耐壓和水密要求。

4 結(jié)束語

本文基于壓力容器的計算，設(shè)計了一種工作深度達水下300 m的水聽器儀器艙，其雙道徑向密封形式可有效保證艙體的水密性能，且經(jīng)過仿真和試驗，艙體結(jié)構(gòu)滿足耐壓要求。另外，在不影響艙體整體結(jié)構(gòu)的同時為儀器艙設(shè)計了一種全新的卡箍快卸機構(gòu)，可迅速可靠地與外部線纜進行連接，滿足水聽器艙的多種使用要求。本文中的殼體耐壓強度及穩(wěn)定性設(shè)計方法和分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計可為其他水下設(shè)備的設(shè)計和應(yīng)用探索提供一定的參考意義。

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