一種分層調壓潛水器及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種分層調壓潛水器,其能夠降低對殼體的制備工藝要求，顯著降低殼體的應力水平，提高耐壓艙塑性屈服安全系數，進而有效增加疲勞壽命。這種分層調壓潛水器，潛水器外面的壓力≤120MPa，潛水器里面的壓力為0.1MPa，該分層調壓潛水器包括n層球殼，n為大于1的整數，這些球殼具有同一個球心，相鄰兩層球殼之間設有充入指定壓力的分壓物。本專利還提供了一種分層調壓潛水器的制造方法。
【專利說明】
一種分層調壓潛水器及其制造方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于結構力學和材料力學的技術領域，具體地涉及一種分層調壓潛水器， 以及這種分層調壓潛水器的制造方法。
【背景技術】
[0002] 現今各國發(fā)展的深海載人潛水器耐壓艙結構均為單層球殼，材料體系主要有高強 鋼和鈦合金兩種。目前下潛最深的是美國的"深海挑戰(zhàn)者"號，下潛深度為10908米。此前深 海載人潛水器耐壓艙的突破主要在材料和加工精度兩個方面。以"深海挑戰(zhàn)者"為例，其耐 壓殼體為鋼制殼體，內徑1.1米，厚度0.066米，在賓州州立大學的實驗室的兩次測試中，該 結構均順利通過114MPa全海深壓力測試。從測試安裝的22個應變片的實驗數據分析，該結 構能承受114X 1.4 = 159.6MPa的壓力而不發(fā)生屈曲。簡單地計算表明，該球殼環(huán)向的壓應 力已達lOOOMPa左右。
[0003] 除了材料特性，結構的加工精度也會影響結構的抗壓/抗屈曲的能力?，F今的深潛 器球殼加工精度的要求都非常高，以日本"深海6500"制造工藝的精度為例，球殼的真球度 (即實測的曲率半徑和標準曲率半徑的比）已近1.004。另外，現有的耐壓殼體安全系數較 低，過高的應力水平會使疲勞壽命大幅降低。
[0004] 現今，在材料強度和加工精度方面，提升空間都已很小。只有研發(fā)新型耐壓艙結 構，擺脫對材料強度和加工精度的依賴，才是新一代深潛器發(fā)展的途徑。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的技術解決問題是:克服現有技術的不足，提供一種分層調壓潛水器，其能 夠顯著降低殼體的應力水平，降低對殼體的制備工藝要求，提高耐壓艙塑性屈服安全系數， 進而有效增加疲勞壽命。
[0006] 本發(fā)明的技術解決方案是:這種分層調壓潛水器，潛水器外面的壓力彡120MPa，潛 水器里面的壓力為O.IMPa，該分層調壓潛水器包括η層球殼，η為大于1的整數，這些球殼具 有同一個球心，相鄰兩層球殼之間設有充入指定壓力的分壓物。
[0007] 本發(fā)明可以將深海高超壓力分解到η層球殼上，由η層球殼比較均勻地分擔，因此 能夠顯著降低殼體的應力水平，降低對殼體的制備工藝要求，提高耐壓艙塑性屈服安全系 數，進而有效增加疲勞壽命。
[0008] 還提供了一種分層調壓潛水器的制造方法，包括以下步驟：
[0009] (1)制造外殼和內殼；
[0010] (2)通過若干個短柱連接外殼和內殼；
[0011] (3)在外殼和內殼之間設置液壓油；
[0012] ⑷通過充壓設備向液壓油加壓到指定壓力。
【附圖說明】
[0013] 圖1是根據本發(fā)明的分層調壓潛水器的結構示意圖。
[0014] 圖2是根據本發(fā)明的分層調壓潛水器的一個優(yōu)選實施例的結構示意圖。
[0015]圖3示出了雙層結構沿壁厚的等效應力分布（兩層殼間壓力Papp分別為40，55， 70MPa)。
[0016] 圖4是柱殼(cylindrical shell)的結構示意圖。
[0017]圖5是層間桁架屈曲分析圖。
[0018] 圖6是根據本發(fā)明的分層調壓潛水器的制造方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0019] 從力學設計來看，耐壓殼的關鍵力學問題涉及彈性失穩(wěn)和塑性屈服。從彈性失穩(wěn) 角度來看，由三維空間微桁架結構組成的點陣材料夾層結構具有高比剛度、比強度、多功能 性等特點，能有效提高耐壓艙結構抗屈曲能力。而基于層間充壓的分層分壓艙的結構設計， 則可以將深海超高壓力分解，由內外殼體比較均勻地分擔，顯著降低殼體的應力水平，提高 耐壓艙塑性屈服安全系數，從而有效增加疲勞壽命。因此，基于層間充壓的分層分壓艙具有 廣闊的發(fā)展前景。
[0020]
【申請人】研制的分層調壓潛水器如圖1所示，潛水器外面的壓力彡120MPa，潛水器里 面的壓力為O.IMPa，該分層調壓潛水器包括η層球殼，η為大于1的整數，這些球殼具有同一 個球心，相鄰兩層球殼之間設有充入指定壓力的分壓物。
[0021] 本發(fā)明可以將深海高超壓力分解到η層球殼上，由η層球殼比較均勻地分擔，因此 能夠顯著降低殼體的應力水平，提高耐壓艙塑性屈服安全系數，進而有效增加疲勞壽命。
[0022] 另外，相鄰兩層球殼通過若干個短柱(可以是金屬桁架)連接。這可以根據一定的 規(guī)律來實現連接，例如層間點陣桁架設計(在下文中將詳細描述），從而使相鄰兩層球殼之 間連接更加牢靠，并且達到短柱使用量最少。殼體間通過層間點陣和桁架連接，充分利用點 陣夾層結構的高比強度、高比剛度的特點，點陣和桁架即保證結構的完整性，同時還能承受 部分壓力。通過設計層間點陣或者桁架結構的分布參數，有效減低殼體中的等效應力，同時 提高結構的抗屈曲能力。結構上，桁架將球殼分解為若干亞結構，桁架結構的分布參數決定 亞結構的形狀，大小以及最終的抗壓和抗屈曲能力。保證每個亞結構的安全，以及由相互 作用的亞結構構成的整體結構的安全是研究的重中之重。同時桁架的幾何參數也是重要的 設計指標，其幾何參數的優(yōu)化可以提高桁架結構抗屈曲能力。兩個金屬殼體之間除金屬桁 架連接外，還可以考慮采用高分子聚合物，既可增加結構的剛度和臨界屈曲壓力，也可起到 密封作用。此外，整體結構是金屬-聚合物/金屬桁架-金屬的復合結構，這種硬-軟-硬的阻 抗不匹配結構使得外部的沖擊波很難傳到內層殼結構，對意外的碰撞、爆炸與沖擊起到良 好的防護作用。
[0023] 另外，所述分壓物可以為液壓油。這樣比使用海水等分壓物更加減輕潛水器的重 量。
[0024]另外，相鄰兩層球殼之間的指定壓力全部相同。
[0025]或者，相鄰兩層球殼之間的指定壓力從外向內逐漸遞減。
[0026]另外，如圖2所示，η = 2，球殼包括外殼和內殼，外殼和內殼采用高強度鋼、鈦合金、 高強度鋁合金、透明玻璃中的一種或兩種。
[0027] 另外，外殼和內殼之間的指定壓力為50MPa，外殼的內徑是0.85米，內殼的內徑是 0.75米，兩層殼的厚度均為0.075米。
[0028] 結構設計的思路就是降低結構材料所承受的(壓)應力，從而提高結構的可靠性和 壽命。理論分析證實了以上設計能有效降低應力，圖2給出為雙層分壓結構的示意圖（無桁 架結構）。根據設計要求，內層殼半徑為R in = 〇.75m，外層殼的半徑為!?_ = 0.85m，兩層殼的 厚度均為〇.075m。深海環(huán)境10000米，外部壓力為lOOMPa，內部壓強為人居工作環(huán)境壓力為 O.IMPa。中間加壓部分施加不同的壓力，得到沿壁厚度的Mises應力分布如圖3所示?？梢园l(fā) 現通過調整中間施加的壓力的大小(分別為401^，5510^，7010^)此868應力在各層殼體間 的分布不一樣。在層間充壓為55MPa時，與單層殼體(厚度為0.15m)相比，內層的等效Mises 應力顯著減低。這樣的設計可更好地保障內層殼體的安全。這里初步計算的只是最簡單情 況，即兩層球殼的厚度是一樣的。兩層球殼的厚度的分配也是優(yōu)化的內容之一。
[0029] 圖2中：Rcmt:外層殼的內徑;Rin :內層殼的內徑;tcmt:外層殼的厚度;tin :內層殼的 厚度;P?t:外部壓力(深海壓力環(huán)境）;Ριη:內部壓力環(huán)境(人居環(huán)境）;papp:可調節(jié)的壓力。
[0030] 圖3示出了雙層結構沿壁厚的等效應力分布（兩層殼間壓力Papp分別為40，55， 70MPa)。
[0031 ]更進一步地，兩層球殼間由桁架連接分割為亞結構，該亞結構為柱殼 (cylindrical shell)而整體結構為球殼（spherical shell)，如圖4所示。P為柱殼面內壓 力，該面內壓力源于法向的水壓力P〇ut。導致亞結構屈曲失穩(wěn)的臨界水壓力P〇 ut，可近似表達 如下：
[0032]
(1)
[0033] 這里，E$ = E/(l_v)為雙軸模量(biaxial modulus);其中E為楊氏模量，v為泊松 比。a為柱殼(弧)邊長;R為球殼半徑;t為球殼厚度。從公式（1)上可以看出導致亞結構屈曲 的臨界水壓主要就是兩個無量綱參數:t/R和t/a來決定的。從結構實用性上講，R作為載人 不能太小，t因為輕質化的目標又不能太大，這樣就決定了 t/R是一個小的數;a是由桁架數 量決定的，數量越多，a越小。增加桁架數量是有效抗屈曲的辦法，臨界水壓是隨t/a的平方 增加的。結構上講這是雙層桁架結構的最大優(yōu)勢。
[0034]桁架結構是一個約束機構，其所受的軸向力是由內外殼體的位移決定的。如圖5所 示，R。和心分別為外層和內層殼的半徑;t。和^分別為外層和內層殼的厚度;d。和cU分別為外 層和內層殼受壓后移動的位移，可以根據圖5推導得到臨界壓力載荷與臨界屈曲應變?yōu)椋?架屈曲的臨界壓力載荷為：
[0035]
(2)
[0036]其中對于兩端固支的梁，C = 4jt2,對于兩端簡支的梁，C = 3i2。對應的臨界屈曲應變 為
> 因此，在實際工程中，只要桁架足夠短，臨界的壓力 以及屈曲應變會比較大，屈曲是很難發(fā)生的。
[0037]如圖6所示，還提供了一種分層調壓潛水器的制造方法，包括以下步驟：
[0038] (1)制造外殼和內殼；
[0039] (2)通過若干個短柱連接外殼和內殼；
[0040] (3)在外殼和內殼之間設置液壓油；
[0041] (4)通過充壓設備向液壓油加壓到指定壓力。
[0042]另外，外殼和內殼之間的指定壓力為50MPa，外殼的內徑是0.85米，內殼的內徑是 0.75米，兩層殼的厚度均為0.075米。另外，所述步驟(1)中制造外殼和內殼的方式為半球沖 壓加電子束焊接、分瓣沖壓加手工窄間隙氬弧焊、或半球鑄造加螺栓連接。
[0043]通過分層結構、分壓設計、點陣桁架、材料匹配等方案實現高性能新概念潛水器耐 壓殼結構的總體設計。首先，采用分層結構設計，通過中間層充壓與即時壓力調整技術，將 深海的巨大壓力分解成兩個或多個部分，分別由兩個或多個殼體來承壓，降低每個殼體所 承受的壓力，達到降低對材料強度的要求，降低加工工藝要求。其次，殼體間通過層間點陣 和桁架連接，充分利用點陣夾層結構的高比強度、高比剛度的特點，點陣和桁架即保證結構 的完整性，同時還能承受部分壓力。本發(fā)明在保障安全的前提下，實現了結構輕量化，提高 了可靠性和重復使用性。
[0044]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依 據本發(fā)明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬本發(fā)明 技術方案的保護范圍。
【主權項】
1. 一種分層調壓潛水器，潛水器外面的壓力彡120MPa，潛水器里面的壓力為O.IMPa，其 特征在于:該分層調壓潛水器包括η層球殼，η為大于1的整數，這些球殼具有同一個球心，相 鄰兩層球殼之間設有充入指定壓力的分壓物。2. 根據權利要求1所述的分層調壓潛水器，其特征在于:相鄰兩層球殼通過若干個短柱 連接。3. 根據權利要求2所述的分層調壓潛水器，其特征在于:所述分壓物為液壓油。4. 根據權利要求3所述的分層調壓潛水器，其特征在于:相鄰兩層球殼之間的指定壓力 全部相同。5. 根據權利要求3所述的分層調壓潛水器，其特征在于:相鄰兩層球殼之間的指定壓力 從外向內逐漸遞減。6. 根據權利要求3所述的分層調壓潛水器，其特征在于:η = 2,球殼包括外殼和內殼，外 殼和內殼采用高強度鋼、鈦合金、高強度鋁合金、透明玻璃中的一種或兩種。7. 根據權利要求6所述的分層調壓潛水器，其特征在于:外殼和內殼之間的指定壓力為 50MPa，外殼的內徑是0.85米，內殼的內徑是0.75米，兩層殼的厚度均為0.075米。8. -種根據權利要求3所述的分層調壓潛水器的制造方法，其特征在于：包括以下步 驟： ⑴制造外殼和內殼； (2) 通過若干個短柱連接外殼和內殼； (3) 在外殼和內殼之間設置液壓油； (4) 通過充壓設備向液壓油加壓到指定壓力。9. 根據權利要求8所述的制造方法，其特征在于：外殼和內殼之間的指定壓力為50MPa， 外殼的內徑是〇. 85米，內殼的內徑是0.75米，兩層殼的厚度均為0.075米。10. 根據權利要求8所述的制造方法，其特征在于:所述步驟⑴中制造外殼和內殼的方 式為半球沖壓加電子束焊接、分瓣沖壓加手工窄間隙氬弧焊、或半球鑄造加螺栓連接。
【文檔編號】B63C11/36GK105947153SQ201610306305
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月10日
【發(fā)明人】魏宇杰, 張吟, 方新, 劉小明, 宋宏偉, 雷現奇
【申請人】中國科學院力學研究所