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1、1 1 潜水器耐压壳体的结构形式潜水器耐压壳体的结构形式 潜水器的潜水器的耐压壳体耐压壳体是潜水器浮力的主要提供者。是潜水器浮力的主要提供者。 耐压壳体的耐压壳体的重量一排水量比重量一排水量比(W(WD)D)小，潜水器就小，潜水器就能提供较大的有效载荷，亦可减小潜水器的总重量。能提供较大的有效载荷，亦可减小潜水器的总重量。 决定耐压壳体的重量一排水量比的主要因素除材决定耐压壳体的重量一排水量比的主要因素除材料外，就是耐压壳体中的料外，就是耐压壳体中的应力应力和失稳时的和失稳时的临界压力临界压力。 从应力的角度来看，球形壳体最好，因为它的薄膜应力从应力的角度来看，球形壳体最好，因为它的薄膜应力只
2、有圆柱形壳的一半。只有圆柱形壳的一半。 所以，所以，对于工作深度大于对于工作深度大于800m800m的潜水器，其耐压的潜水器，其耐压壳体大多采用球形，壳体大多采用球形，这样可获得最小的重量一排水量比值。这样可获得最小的重量一排水量比值。 对于工作深度小于对于工作深度小于800m800m的潜水器，其耐压壳大多的潜水器，其耐压壳大多采用圆柱壳。采用圆柱壳。这是因为对工作深度在这是因为对工作深度在800m800m以内的潜水器来以内的潜水器来说，根据应力决定的球形壳体的厚度很小，这时耐压壳体的说，根据应力决定的球形壳体的厚度很小，这时耐压壳体的强度可以满足，而稳定性要求往往不能满足。为此，必须加强度可
3、以满足，而稳定性要求往往不能满足。为此，必须加厚球壳的厚度。这样，球壳受力状态比圆柱壳优越的特点就厚球壳的厚度。这样，球壳受力状态比圆柱壳优越的特点就不很明显，甚至球壳的重量一排水量比大于圆柱壳，因为圆不很明显，甚至球壳的重量一排水量比大于圆柱壳，因为圆柱壳的失稳压力可通过适当调节肋骨间距来达到。柱壳的失稳压力可通过适当调节肋骨间距来达到。目前，潜水器所采用的目前，潜水器所采用的耐压壳体结构形式耐压壳体结构形式大多为如图所示。大多为如图所示。 球形耐压壳体球形耐压壳体就重量而言是最轻的结构形式，其空间就重量而言是最轻的结构形式，其空间利用率也最低；而利用率也最低；而筒形壳体筒形壳体虽能有效地利
4、用内部空间，但虽能有效地利用内部空间，但重量一排水量比值重量一排水量比值W WD D却没有球形壳体低，当工作深度增却没有球形壳体低，当工作深度增加时，圆筒必须用肋骨加强，这样就使重量增大，加时，圆筒必须用肋骨加强，这样就使重量增大，W/DW/D比比值提高。值提高。 表表l ll l列出了球体直径为列出了球体直径为2.4m2.4m时，时，各种结构形式所具各种结构形式所具有的有的W/DW/D值。值。 表表l l一一2 2给出了给出了三种基本结构形式各自的优缺点三种基本结构形式各自的优缺点。值得。值得注意的是如果耐压壳体采用轻质材料，则可以在较低注意的是如果耐压壳体采用轻质材料，则可以在较低W WD
5、 D值或相同值或相同W WD D值下，使潜水器具有较大的作业深度。值下，使潜水器具有较大的作业深度。 2 2 潜水器耐压壳体的材料潜水器耐压壳体的材料 耐压壳体材料有耐压壳体材料有金属金属和和非金属非金属两类。两类。 在选择潜水器的壳体材料以及它们的焊接或连接材料时，必在选择潜水器的壳体材料以及它们的焊接或连接材料时，必须考虑下列因素：须考虑下列因素： 腐蚀腐蚀在潜水器的使用环境中，由于受化学或电化学作用，在潜水器的使用环境中，由于受化学或电化学作用，会使金属腐蚀。会使金属腐蚀。应力腐蚀破裂应力腐蚀破裂在裂纹和拉应力的联合作用下由于塑变扩大在裂纹和拉应力的联合作用下由于塑变扩大而破坏。而破坏。
6、低周疲劳低周疲劳当材料受到幅值小于拉伸强度的波动应力作用时当材料受到幅值小于拉伸强度的波动应力作用时会产生疲劳性破坏（低周是指压力波动次数小于十万次的情会产生疲劳性破坏（低周是指压力波动次数小于十万次的情况）。况）。蠕变蠕变在应力作用下，材料随时间而产生的塑性变形在应力作用下，材料随时间而产生的塑性变形( (即结构即结构的尺寸和形状发生永久变形的尺寸和形状发生永久变形) )。消除应力后材料的变脆性消除应力后材料的变脆性当把金属材料加热到适当温度，然当把金属材料加热到适当温度，然后让其慢慢冷却以消除残余内应力时，材料的正常延展性降低。后让其慢慢冷却以消除残余内应力时，材料的正常延展性降低。脆裂脆
7、裂某些材料在低温下，很少或没有塑性变形而产生裂纹。某些材料在低温下，很少或没有塑性变形而产生裂纹。比强度比强度材料的强度限与密度之比。材料的强度限与密度之比。比刚度比刚度材料的弹性模量与密度之比。材料的弹性模量与密度之比。屈强比屈强比材料的屈服限与强度限之比。材料的屈服限与强度限之比。冲击韧性冲击韧性材料抵抗冲击的能力。材料抵抗冲击的能力。高延展性高延展性不使材料产生裂纹的塑性变形能力。不使材料产生裂纹的塑性变形能力。断裂韧性断裂韧性壳体在产生贯穿裂纹的区域，发生塑性变形但不使壳体在产生贯穿裂纹的区域，发生塑性变形但不使裂纹有大的扩展而造成破坏的能力。裂纹有大的扩展而造成破坏的能力。可焊性可焊
8、性金属材料在适当条件下对焊接的适应性。金属材料在适当条件下对焊接的适应性。可成型性可成型性金属材料通过塑性变形使其成形的方便性。金属材料通过塑性变形使其成形的方便性。 bEsb 对于所选用材料，其对于所选用材料，其研制成本研制成本和材料是否和材料是否容易获得容易获得，具，具有同等的重量性。有同等的重量性。 潜水器的耐压壳材料有钢、铝、钛、丙烯酸塑料，玻璃潜水器的耐压壳材料有钢、铝、钛、丙烯酸塑料，玻璃和木材。然而，和木材。然而，绝大部分耐压壳体绝大部分耐压壳体( (约约9090左右左右) )都采用钢都采用钢。这主要是因为设计者和制造者对钢的性能有较全面的了解，这主要是因为设计者和制造者对钢的性
9、能有较全面的了解，而且对于钢在海洋环境下的应用已积累了丰富的经验。而且对于钢在海洋环境下的应用已积累了丰富的经验。 钛合金钛合金具有良好的机械性能在海水中抗腐蚀能力强且无具有良好的机械性能在海水中抗腐蚀能力强且无磁性。但由于其造价高、加工复杂磁性。但由于其造价高、加工复杂( (包括焊接包括焊接) )，因而应用受，因而应用受到限制。相信随着钛合金机械性能的进一步完善，加工工艺到限制。相信随着钛合金机械性能的进一步完善，加工工艺的改进和费用的降低，钛合金将被广泛用来制造耐压壳、容的改进和费用的降低，钛合金将被广泛用来制造耐压壳、容器、浮筒和潜水器的其它壳体构件。器、浮筒和潜水器的其它壳体构件。 具
10、有比强度高的具有比强度高的铝合金铝合金，可用来制造大深度工作潜水器，可用来制造大深度工作潜水器的耐压壳，但铝合金耐压壳的造价大大地高于钢质壳体。的耐压壳，但铝合金耐压壳的造价大大地高于钢质壳体。 高强度铝合金的缺点是焊接性能差，与等强度的钢和钛高强度铝合金的缺点是焊接性能差，与等强度的钢和钛合金相比较，这个问题使制造焊接部件明显地复杂化。合金相比较，这个问题使制造焊接部件明显地复杂化。 增强塑料增强塑料广泛地用来建造小深度工作潜水器的耐压壳体，广泛地用来建造小深度工作潜水器的耐压壳体，以及在各种深度工作的潜水器的非耐压壳体。可以认为以及在各种深度工作的潜水器的非耐压壳体。可以认为矽酸矽酸盐玻璃
11、、丙烯塑料和陶瓷盐玻璃、丙烯塑料和陶瓷是很有发展前途的材料。由于缺乏是很有发展前途的材料。由于缺乏可靠的坚固性和同相邻部件的连接性，这些材料暂时都受到可靠的坚固性和同相邻部件的连接性，这些材料暂时都受到使用上的限制。使用上的限制。软钢、铝合金和玻璃钢软钢、铝合金和玻璃钢可作为制造非耐压壳可作为制造非耐压壳的材料。的材料。 3 3 潜水器艇体上的受力潜水器艇体上的受力 潜水器在使用过程中，艇体会受到各种外力的作用。潜水器在使用过程中，艇体会受到各种外力的作用。 外力按其性质可分为两类：外力按其性质可分为两类：静力和动力静力和动力。 静力静力包括艇体及各种设备的重力、静水压力等；包括艇体及各种设备
12、的重力、静水压力等； 动力动力包括波浪冲击力、机械工作时由于不平衡产生的惯包括波浪冲击力、机械工作时由于不平衡产生的惯性力、碰撞力等。性力、碰撞力等。 在潜水器结构设计中，在潜水器结构设计中，主要以静力作用作为结构强度主要以静力作用作为结构强度计算的依据。计算的依据。至于动力强度只是在静力强度计算的基础上至于动力强度只是在静力强度计算的基础上作某些校核。作某些校核。1 1）潜水器在深水中的受力情况）潜水器在深水中的受力情况 潜水器处于水下状态时，作用在艇体上的外力有：潜水器处于水下状态时，作用在艇体上的外力有：深水深水静压力和重力静压力和重力。但各段上因重力和浮力不一致而产生的剪力、。但各段上
13、因重力和浮力不一致而产生的剪力、弯矩所决定的应力相对于深水压力决定的应力是很小的，因弯矩所决定的应力相对于深水压力决定的应力是很小的，因此可以忽略不计。此可以忽略不计。 静水压力是由耐压艇体承受的，静水压力是由耐压艇体承受的，为了研究作用在艇体上为了研究作用在艇体上的静水压力的大小，从耐压艇体长度方向取出单位长度的单的静水压力的大小，从耐压艇体长度方向取出单位长度的单元来看，在此单元上，压力分布沿高度方向成线性变化，其元来看，在此单元上，压力分布沿高度方向成线性变化，其作用压力分为两个部分。作用压力分为两个部分。 由于由于R Rh h是一个小量，是一个小量，通常忽略通常忽略p1 1的影响，的影
14、响，又由又由于于般潜水器耐压艇体均较短，固纵倾而使得深水压般潜水器耐压艇体均较短，固纵倾而使得深水压力沿艇纵向的小量变化，也可忽略不计。这样，潜水力沿艇纵向的小量变化，也可忽略不计。这样，潜水器在深水中的受力，器在深水中的受力，相当于耐压艇体受到一个均匀载相当于耐压艇体受到一个均匀载荷，荷，其值等于耐压艇体轴线至自由水面高度的水柱压其值等于耐压艇体轴线至自由水面高度的水柱压力，即力，即 0.0098()phhMPa4 4 耐压艇体计算载荷的确定耐压艇体计算载荷的确定 工作深度工作深度h hg是指潜水器在是指潜水器在正常使用正常使用过程中所能达到的最大过程中所能达到的最大深度。在此深度上，潜水器
15、能深度。在此深度上，潜水器能作任意次的、长期的停留作任意次的、长期的停留而不引而不引起耐压艇体产生永久变形。起耐压艇体产生永久变形。 极限深度极限深度h hjx是指潜水器是指潜水器能下潜能下潜的最大深度。在此深度上，的最大深度。在此深度上，潜水器只能作潜水器只能作有限次的、短时间的停留。有限次的、短时间的停留。 通常工作深度为：通常工作深度为： (0.850.90)gjxhh 在设计计算耐压艇体强度时考虑了一定的强度储在设计计算耐压艇体强度时考虑了一定的强度储备即以比极限深度更大的深度作为计算依据，此深度备即以比极限深度更大的深度作为计算依据，此深度称为称为计算深度计算深度，用，用hj表示。相
16、应于计算深度下的静水表示。相应于计算深度下的静水压力称为压力称为计算载荷计算载荷，用，用p pj j表示。计算结构强度时考虑表示。计算结构强度时考虑在载荷中的强度储备通常用在载荷中的强度储备通常用安全系数安全系数K K来表示，因此来表示，因此计算深度与极限深度的关系为：计算深度与极限深度的关系为： jjxhKh 下图为潜水器的下图为潜水器的工作深度工作深度、极限深度极限深度和和计算深度计算深度的关系示意图。的关系示意图。 安全系数安全系数K K要考虑所有强度计算中没有考虑的、影响艇体强要考虑所有强度计算中没有考虑的、影响艇体强度的各种因素。其中有些因素对艇体强度的影响目前尚不能定度的各种因素。
17、其中有些因素对艇体强度的影响目前尚不能定量地确定，如材料屈强比对艇体强度的影响，残余应力对强度量地确定，如材料屈强比对艇体强度的影响，残余应力对强度的影响等。的影响等。有些因素是随机变化的有些因素是随机变化的，比如壳板实际厚度与名义，比如壳板实际厚度与名义厚度的偏差，材料实际屈服强度与计算时应用的屈服强度的偏厚度的偏差，材料实际屈服强度与计算时应用的屈服强度的偏差等。差等。有些因素则是人为的有些因素则是人为的，如航行过程中的超深。总之确定，如航行过程中的超深。总之确定安全因素安全因素K K是是项很复杂的工作，但主要应考虑下列几方面的因项很复杂的工作，但主要应考虑下列几方面的因素：素： 1 1材
18、料方面的影响材料方面的影响材料方而的影响通常包括两个方面：材料方而的影响通常包括两个方面：(1)(1)材料几何尺寸的偏差。材料几何尺寸的偏差。 目前的计算规则中，耐压壳板的目前的计算规则中，耐压壳板的计算厚度计算厚度t t和和名义厚度名义厚度t t0 0有如下的统一规定：有如下的统一规定： 在安全系数中在安全系数中不再考虑不再考虑由材料几何尺寸的偏差引起的影响。由材料几何尺寸的偏差引起的影响。 (2)(2)机械性能方面的影响机械性能方面的影响 在强度计算中，在强度计算中，s s、E E、一般都取材料试一般都取材料试验的最低值，因此是偏于安全的。但随着潜水验的最低值，因此是偏于安全的。但随着潜水
19、器下潜深度的增加，高强度钢材的采用，器下潜深度的增加，高强度钢材的采用，s sb b的提高，这些对结构的抗爆能力及低周疲劳的提高，这些对结构的抗爆能力及低周疲劳是不利的，因此在安全系数中是不利的，因此在安全系数中应该考虑应该考虑这些不这些不利因素。利因素。 2 2设计计算公式的可靠性设计计算公式的可靠性 在在“潜水器强度计算规则潜水器强度计算规则”中所采用的强中所采用的强度和稳定性计算公式，一般都是经过大量的实度和稳定性计算公式，一般都是经过大量的实物和模型试验证明是可靠的，因此安全系数中物和模型试验证明是可靠的，因此安全系数中可以可以不考虑不考虑其影响。其影响。 3 3施工制造方面的影响施工
20、制造方面的影响 残余应力残余应力对艇体强度的影响，一般情况下总是不对艇体强度的影响，一般情况下总是不利的，目前还不能用计算方法来确定它的影响。利的，目前还不能用计算方法来确定它的影响。 如壳板与肋骨的不圆度、圆柱耐压壳的肋骨位置偏如壳板与肋骨的不圆度、圆柱耐压壳的肋骨位置偏差、焊缝的局部变形等。这些偏差都会员响结构的强度，差、焊缝的局部变形等。这些偏差都会员响结构的强度，因为因为加工工艺加工工艺水平达不到这样的要求，所以只能限制在水平达不到这样的要求，所以只能限制在加工工艺可能达到的最小偏差范围，这就要求在安全系加工工艺可能达到的最小偏差范围，这就要求在安全系数数K K中中充分考虑充分考虑到这
21、些偏差对强度的影响。到这些偏差对强度的影响。 4 4管理使用方面的影响管理使用方面的影响 当潜水器在极限下潜深度附近停留时，出于当潜水器在极限下潜深度附近停留时，出于海流等外界因素或操作上的失误等原因有可能造海流等外界因素或操作上的失误等原因有可能造成成超过极限下潜深度超过极限下潜深度。所以在安全系数中。所以在安全系数中必须考必须考虑虑这方面的影响。这方面的影响。 因此安全系数的确定是十分复杂的，安全系因此安全系数的确定是十分复杂的，安全系数数K K一般在一般在1.51.5左右左右，因此在本书中我们取：，因此在本书中我们取： 即即计算载荷为极限载荷的计算载荷为极限载荷的1.51.5倍倍。 1.5jjxPP