大深度潛水器浮力構(gòu)件的安裝設(shè)計和實驗

莊廣膠，夏?，葛彤

(上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

0 引言

目前大深度潛水器的浮力構(gòu)件主要選用環(huán)氧基空心玻璃微珠復(fù)合固體浮力材料制作[1–5]。潛水器的浮力構(gòu)件通常安裝在主結(jié)構(gòu)上，潛水器的主結(jié)構(gòu)一般采用鋁合金、鈦合金和部分不銹鋼制造[6]，金屬材料的體積彈性模量均比環(huán)氧基空心玻璃微珠復(fù)合固體浮力材料高數(shù)十甚至上百倍。在大深度海水壓力下，浮力構(gòu)件的收縮變形遠(yuǎn)大于潛水器主結(jié)構(gòu)收縮變形，如果浮力構(gòu)件安裝未能合理設(shè)計，輕則出現(xiàn)在大深度水壓下潛水器浮力構(gòu)件安裝松動，重則出現(xiàn)浮力構(gòu)件因安裝引發(fā)的應(yīng)力過大導(dǎo)致開裂。中國在“十二五”和“十三五”計劃中布局多項深海潛水器，國內(nèi)多家科研機(jī)構(gòu)也開展了大深度潛水器的研制工作，研究大深度潛水器的浮力構(gòu)件安裝設(shè)計有很強(qiáng)的工程意義。

1 問題的分析與優(yōu)化設(shè)計

1.1 早期潛水器浮力構(gòu)件的安裝

早期潛水器浮力構(gòu)件的安裝，采用雙頭螺桿與潛水器框架結(jié)構(gòu)相連接，并具有防松功能，如圖1 所示[7]。圖1的浮力構(gòu)件安裝方法在因結(jié)構(gòu)簡單，在水深較淺的潛水器上廣泛應(yīng)用。在大深度潛水器上，由于更大的海水壓力，使浮力構(gòu)件的收縮變形量凸顯，而浮力構(gòu)件的安裝結(jié)構(gòu)則因為體積彈性模量大、壓縮變形量小，使浮力構(gòu)件該種安裝方法存在連接松弛的隱患。

圖1 采用雙頭螺桿安裝浮力構(gòu)件Fig.1 Installation of buoyancy components with double end stud

1.2 體積彈性模量的分析與測試

體積彈性模量K也稱體變模量，反映材料的可壓縮性。對于常見的固體材料，工程材料手冊會提供彈性模量E和泊松比μ的參數(shù)，但不會提供體積彈性模量K的參數(shù)，但三者之間存在換算關(guān)系，如下式：

潛水器主結(jié)構(gòu)常用金屬材料的彈性模量、泊松比及計算所得體積彈性模量如表1 所示。

表1 潛水器主結(jié)構(gòu)常用金屬材料的體積彈性模量Tab.1 Bulk modulus of metal materials commonly used in main structure of submersible

大深度浮力材料作為一種特殊用途材料，國外僅有數(shù)家公司有標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品供貨，國內(nèi)仍處于研究試制狀態(tài)。因此浮力材質(zhì)的彈性模量相關(guān)參數(shù)僅通過查閱標(biāo)準(zhǔn)和廠家提供數(shù)值，難以獲取可信度高的參數(shù)。陳先等[8]提出了一種浮力材料體積彈性模量測量裝置，通過測量對壓力桶加壓液壓缸的體積測量浮力材料體積彈性模量。該方法是通過間接量測量，液體介質(zhì)體積彈性模量變化、液體介質(zhì)的泄漏均會影響測量精度。本文設(shè)計一套浮力材料體積彈性模量測試裝置，如圖2 所示，用高精度位移傳感器直接測量浮力材料試棒在壓力環(huán)境下的尺寸變化。浮力材料雖然是復(fù)合材料，但各向同性，通過尺寸變化可直接計算出其體積變化，從而獲得準(zhǔn)確的體積彈性模量參數(shù)。計算方法如下式：

圖2 體積彈性模量測試裝置Fig.2 Bulk modulus testing equipment

使用本文所述浮力材料體積彈性測量裝置測得國內(nèi)外數(shù)個型號浮力材料體積彈性模量數(shù)值，如表2 所示。

表2 浮力材料體積彈性模量測量值Tab.2 Measurement of bulk modulus of buoyancy materials

由表2 可知，測試的4 種浮力材料，體積彈性模量參數(shù)均小于3 GPa，遠(yuǎn)小于表1 中潛水器主結(jié)構(gòu)常用金屬材料的體積彈性模量。

1.3 優(yōu)化的浮力構(gòu)件安裝方法

針對浮力構(gòu)件在大深度海水中收縮變形問題，提出一種具有尺寸變化補(bǔ)償能力的浮力構(gòu)件安裝方案（見圖3）。在雙頭螺桿安裝浮力構(gòu)件的基礎(chǔ)上，增加了位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)。位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)由碟簧組和導(dǎo)向柱組成。在潛水器入水前，碟簧組處于圖3 左側(cè)狀態(tài)，當(dāng)潛水器下潛到深海時，浮力構(gòu)件受海水壓力尺寸變小，碟簧組伸長、補(bǔ)償浮力構(gòu)件的高度變化，從而使浮力構(gòu)件穩(wěn)定的連接在潛水器結(jié)構(gòu)上。

圖3 采用位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的浮力構(gòu)件安裝結(jié)構(gòu)Fig.3 Installation structure of buoyancy components with displacement compensation mechanism

潛水器浮力構(gòu)件按照安裝形式一般分為3 種。正裝，浮力構(gòu)件安裝在結(jié)構(gòu)上方，通過螺桿連接到下方結(jié)構(gòu)上；吊裝，浮力構(gòu)件安裝在結(jié)構(gòu)下方，通過螺桿吊裝到上方結(jié)構(gòu)上；側(cè)面安裝，浮力構(gòu)件通過螺桿側(cè)向連接到結(jié)構(gòu)上。圖4（c）中示意的浮力構(gòu)件安裝形式中，應(yīng)特別注意使浮力構(gòu)件有較大尺寸插入結(jié)構(gòu)中，避免通過雙頭螺桿的剪切作用抵抗浮力構(gòu)件的重力或浮力。

圖4 浮力構(gòu)件的安裝形式Fig.4 Installation form of buoyancy components

2 設(shè)計準(zhǔn)則及計算過程

以全海深A(yù)RV 配套中繼器的浮力構(gòu)件作為安裝設(shè)計對象，給出設(shè)計校核準(zhǔn)則和計算過程。

2.1 設(shè)計準(zhǔn)則

任何工況下，浮力構(gòu)件所受到的安裝、水壓等各種應(yīng)力總和不超過浮力構(gòu)件的單軸壓縮強(qiáng)度。

1）設(shè)計準(zhǔn)則一

近水面布放回收工況，按照潛水器設(shè)計作業(yè)海況，依據(jù)勞氏船級社給出的動載系[9]校核浮力材料受力是否超過其許用壓應(yīng)力。圖4（a）和圖4（c）的結(jié)構(gòu)不必做該項校核，圖4（b）的結(jié)構(gòu)浮力構(gòu)件通過雙頭螺桿吊裝的，起吊時動載系數(shù)直接影響了浮力構(gòu)件的受力，需校核下部與浮力構(gòu)件接觸的大墊片與浮力構(gòu)件之間的接觸應(yīng)力，要求不大于浮力材料許用單軸壓縮強(qiáng)度。中繼器浮力構(gòu)件采用的圖4（a）的布置形式，不必做該項校核。

2）設(shè)計準(zhǔn)則二

最大深度工作工況，浮力構(gòu)件和與之接觸的大墊片之間的擠壓應(yīng)力加上海水壓力不大于浮力材料許用單軸壓縮強(qiáng)度?？紤]到潛水器劇烈運(yùn)動時加速度及水流作用，安裝力需要超過浮力構(gòu)件凈浮力的至少2 倍。

2.2 設(shè)計計算過程

中繼器浮力構(gòu)件原材料性能及相關(guān)設(shè)計參數(shù)如表3所示。

表3 浮力材料參數(shù)表Tab.3 Parameter table of buoyancy materials

2.2.1 浮力構(gòu)件尺寸變化計算

中繼器上某浮力構(gòu)件安裝高度L=430 mm，在6 000 m工作深度，該高度變化為 ΔL。由式（4）變換得：

計算得ΔL=3.69 mm。

2.2.2 碟簧的選型

碟簧相關(guān)參數(shù)如表4 所示。

表4 碟簧組參數(shù)表Tab.4 Parameter table of disc spring group

由于單個碟簧變形量較小，不能滿足浮力構(gòu)件位于補(bǔ)償需求，需要將碟簧串聯(lián)使用。碟簧串聯(lián)數(shù)量計算如下：

碟簧工作區(qū)間選擇變形量20%～60%段，該區(qū)間段單個碟簧變形量為：

計算得Δh=0.236 mm。

浮力構(gòu)件安裝高度方向位移變化 ΔL，需要的碟簧數(shù)量n為：

計算得n=15.7，圓整并放余量選擇n=20。

2.2.3 校核反推碟簧工作區(qū)間

碟簧組自由高度

碟簧組預(yù)緊安裝高度（60%壓并量）

計算得Ha=45.3 mm。

碟簧組60%壓并量時彈力Fa=5 838 N，與浮力構(gòu)件接觸的大墊片面積S=3 042 mm2。

接觸壓強(qiáng)為：

Pa小于 σc，浮力構(gòu)件在該校核工況下安全。

2.2.4 最大工作深度工況校核

碟簧組工作高度為：

對應(yīng)單個碟簧高度2.45 mm，此時彈簧壓縮量百分比28.35%，通過查找該彈簧工作曲線，得出彈力Fc=2 824 N。該塊浮力構(gòu)件由4 根相同的雙頭螺桿安裝固定。

接觸壓強(qiáng)為：

浮力構(gòu)件在該工況下安全。

3 實 驗

浮力構(gòu)件制成后，利用深海環(huán)境模擬器開展耐壓測試，使用槽鋼模擬潛水器主結(jié)構(gòu)，將浮力構(gòu)件按照施工設(shè)計參數(shù)安裝在模擬結(jié)構(gòu)上。經(jīng)過62 MPa、24 h的靜水壓測試，浮力構(gòu)件外觀無缺陷，安裝相關(guān)區(qū)域無損傷，驗證了該浮力構(gòu)件的安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計是成功的。

4 結(jié)語

本文提出的大深度潛水器浮力構(gòu)件安裝設(shè)計方法在海龍III 型ROV 上得到了很好的驗證，在全海深A(yù)RV 配套中繼器上開展了更為細(xì)致的設(shè)計與實驗，證明了該設(shè)計方法的正確性。相對于機(jī)動能力弱的載人潛水器和AUV（Autonomous Underwater Vehicle），ROV 在潛水器家族屬于功率大、機(jī)動能力較強(qiáng)的潛水器，在如此嚴(yán)酷的工況下，浮力構(gòu)件的安裝設(shè)計得到了考證，說明該方法完全可以滿足設(shè)計使用要求，為大深度潛水器浮力構(gòu)件的安裝設(shè)計提供參照。