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摘要：为了实现对水下生物及能源的探索和研究，设计了一种适应性强、可机械手携带的水下观测设备，此设备可对水下目标进行拍照并存储和记录水深信息，重点对提供密封工作环境的耐压舱进行了设计和分析。首先，基于内部的安装尺寸、整体质量及水下配重等情况，耐压舱首部采用圆形，尾部采用近似椭圆的形式。为提升耐压强度，舱体采用分段连接形式，舱体主要采用非金属材料3D打印。窗口玻璃采用平面融石英玻璃，避免了球面对成像产生畸变的情况，并对舱体密封进行了设计。然后，使用有限元分析软件对舱体和窗口玻璃进行静力学分析，分析结果表明在100 m水深时耐压舱满足强度要求。最后，根据设计分析结果对耐压舱进行了制造，并对耐压舱进行水压试验，试验结果表明耐压舱满足强度和密封要求。
关键词：水下观测；耐压舱；结构设计；有限元分析
0引言
海洋蕴藏着丰富的生物、矿物和能源等资源，是人类繁衍生息和持续发展的重要基础[1]，近年来，随着海洋工程和石油开发需求的不断增加，以及在军事、海洋科考[2]等领域的需要，作为海洋开发重要工具之一的水下观测设备得到了快速发展，国内外对海洋工程装备的需求日益增多[3]。
防水耐压舱作为水下观测器的关键部件之一，常用于放置电子设备和各类传感器等，其防水密封性和结构安全性至关重要[4]。有许多学者也对耐压舱设计进行了研究，苏运来等[5]设计了一种冲压式复合材料防水耐压舱，在耐压舱内预先冲入一定压力气体以抵抗在工作水
深处的静水压力，减小在工作时的壳体压力，并对结构进行了有限元分析和耐压、密封试验。戴志光[6]设计了一个ROV样机，并对耐压壳体、密封进行了设计分析，对耐压壳体结构进行了有限元分析，并对水下航行阻力进行了计算。魏会东[7]对水下摄像机壳体进行了结构设计和分析，并用有限元方法分析了塑性破坏和屈曲破坏。马骋等[8]使用碳纤维材料代替高强度钢作为耐压壳，并对碳纤维铺层角度、厚度、肋骨进行了研究，有效减轻了整体质量并提高了强度。关文信[9]对水下航行器壳体进行了强度校核和模态分析，并给出了结构优化的可行方向。王萌[10]对碳纤维复合材料壳体的强度和稳定性分析，并进行了爆破试验。
本文设计了一款便携式水下机械手携带式观测器，主要对装置的耐压舱结构、密封进行设计分析，相对于传统的圆柱形水下耐压壳体结构[11-12]，本外形采用非圆柱3D打印结构，并进行了耐压、密封试验。结果表明，结构强度满足使用要求，密封性良好。
1总体设计方案
本装置的主要功能是通过内部的相机对水下植被、生物进行拍照，并对照片进行存储，以便对海洋进行探索研究，其不具有自主航行功能，可通过带有机械手的水下航行器进行携带，因此在设计时应尽可能保证体积小、质量轻，适应性强。
装置主要由壳体、窗口玻璃、相机、镜头、处理电路板、电池、压力传感器等组成，具体组成如图1所示。壳体和窗口玻璃组成耐压舱为装置提供密封工作空间，电池对处理电路板、相机和压力传感器供电，相机对水下目标进行拍照，处理电路板将照片存储，同时存储压力传感器数值，便于对不同深度水下资源进行研究。
2耐压舱结构设计
为了给相机、镜头、电池、处理电路板提供密封环境，保证设备正常工作，需使用耐压舱对其进行封装，所以本论文主要对耐压舱进行设计，耐压舱主要由耐压壳体和窗口玻璃组成。
2.1舱体
在同等容积下，相对于其他形状，圆柱型舱体具有较好的承压能力并且便于加工，因此大多数水下耐压舱均采用圆柱形结构。但对于本装置而言，在舱体内部布置相机、镜头、电池、控制电路板等设备，内部布置属于扁平结构，如果采用圆柱形或球形结构其内部剩余空间较多，造成整体尺寸过大，质量重[13]，水下浮力也会增大，需对其进行更多的配重。因此为减小尺寸、质量和提高空间利用率，综合考虑内部零件质量、整体尺寸、水下浮力情况，同时因窗口部位尺寸小于与处理电路部位尺寸，为减小前行时的阻力，耐压舱结构设计为前端圆柱形用于安装窗口玻璃，后端采用近似椭圆的扁平式结构，中间采用流线型过渡，可有效降低航行过程中阻力。
为便于内部器件的安装，在舱体内部需设计支撑结构，同时为提高支撑强度和考虑水下配重因素，在舱体内部设计支撑筋提高耐压强度，同时可减少后期配重。制造方面，由于内部结构复杂，采用去材料加工方式成本高且难以实现，若采用金属铸件形式会造成整体质量大幅增加，整体密度增大，且由于装置为单件生产，开模费用高。因此经对比分析，壳体采用3D材料打印方式，同时结合3D打印材料强度、尺寸限制、装配、配重等情况，结构采用分段形式，即前段壳体、后段壳体、后盖为3D打印，连接段壳体为钛合金TC4数控加工。在壳体底部预留安装位置，便于安装到机械手等携带设备上，具体结构如图2所示。
由于耐压舱结构采用非圆柱形结构，采用长短圆筒理论确定舱体壁厚公式在此不再适用，且本耐压舱外形近似椭圆形，并非标准的椭圆，目前上没有理想的设计公式[14]，本耐压舱采用试算法进行设计，即设计壁厚时参照内部零件尺寸、工作深度，根据经验确定初始壁厚，并根据有限元分析结果对结构进行优化，多次迭代后确定最终壁厚值。最后将设计的舱体及各个器件在三维制图软件中画出三维图，并对各个零件赋材料属性，最终整个装置的包络尺寸为418 mm×159 mm×115 mm，整体质量3.4 kg，通过三维软件计算出在水下浮力作用下的密度为0.98 g/cm3，满足水下配重要求。
2.2窗口玻璃
因相机需对水下生物进行拍照，需在前段安装窗口透镜，大多数水下窗口透镜采用球面形式，此形式具有良好的耐压能力，但缺点是球面透镜会对成像产生畸变，且修正算法复杂还会增加计算量，增加功耗。因此本装置采用平面玻璃作为窗口透镜可避免这一问题，并在玻璃表面镀增透膜提高光线透过率。
由于窗口玻璃暴露在外部环境，承受高压，在应力作用下会使表面产生微裂纹，严重时发生断裂，可采用下述公式确定玻璃厚度[15]：
式中：tw为窗口玻璃厚度；Aw为窗口玻璃直径；ΔPw为内外压差，取1 000 kPa；Kw为支撑条件系数，取0.75；fs为安全系数，取4；SF为断裂强度，可近似为抗拉强度取S F=49 MPa。
根据成像视场角需求确定该窗口玻璃直径为75 mm，代入相关数据可得最小厚度tw≈9.3 mm。
结合制造工艺的合理性，本装置中采用厚度为10 mm的融石英玻璃。
2.3材料选择
由于水下设备工作环境恶劣，对材料的耐腐蚀型、抗压性、密度等具有严格要求，因此选择合适的材料对耐压舱的结构设计至关重要，表1所示为本装置采用的材料的力学性能。
融石英玻璃透明度高，且可在表面镀增透膜提高光通过率。尼龙7500材料可用于3D打印且密度低，对于外壳零件来说其精度尚可，且打印成本低。金属材料中，不锈钢316L和钛合金TC4具有很好的耐海水腐蚀性且刚度和强度高，但不锈钢密度大，对设备整体质量影响较大。在水下设备制造时，钛合金TC4是较理想的材料，不足之处是钛合金加工成本高，不适合大量使用。
在本设备中前段壳体、后段壳体、后盖采用尼龙7500进行3D打印，采用激光烧结工艺（SLS），优点是不需支撑结构且尺寸精度较高[16]，在保证耐压前提下可降低整体质量，连接段壳体和窗口玻璃压盖采用钛合金材料，螺钉和螺母采用不锈钢316L材料，窗口玻璃采用融石英材料。
2.4有限元强度分析
本设备使用条件最大水深为100 m，承受水压为1 MPa，为了进一步验证耐压舱结构设计的合理性，通过三维软件导出文件，使用分析软件对零件进行有限元静力分析。
2.4.1舱体强度校核
本文中前段壳体、后段壳体、后盖采用尼龙7500材料3D打印制造而成，连接段壳体采用钛合金TC4数控加工，在分析软件中赋予材料属性，并对其进行网格划分、施加约束，分析结果如图3所示。
仿真分析表明，后盖的最大应力为12.382 MPa，安全系数为3.9，后段的最大应力为18.828 MPa，安全系数为2.5，连接段的最大应力为380.45 MPa，安全系数为2.1，前段的最大应力为31.695 MPa，安全系数为1.5，因此耐压舱设计满足使用要求。
2.4.2窗口玻璃强度校核
为验证窗口玻璃厚度计算的数值是否符合要求，这里采用有限元方法对其进行静力学仿真分析对其进行校核，结果如图4所示。仿真分析表明，在最大水深工作时窗口玻璃的最大应力11.772 MPa，低于抗拉强度49 MPa，安全系数为4.2，因此窗口玻璃设计满足使用要求。
3密封设计
密封设计是保证水下设备正常使用、安全可靠的关键环节，密封泄漏或失效，轻则导致设备不能正常使用，重则会使设备产生腐蚀或破坏引起巨大的经济损失。本装置中需要密封的部位为窗口玻璃与舱体体之间、壳体分段连接处。
在窗口玻璃与舱体之间采用O形圈密封形式，O形圈适用范围广、成本低、拆装更换方便。在安装窗口玻璃压盖时采用力矩扳手均匀拧紧预紧螺栓，玻璃压盖与窗口玻璃之间的O形圈不起密封作用，仅起保护作用，防止玻璃压盖压碎玻璃，O形圈材料选择耐腐蚀的氟橡胶材料。在壳体分段连接处采用密封垫进行密封，由于同等受力情况下，密封垫受力面积大，变形压缩量比O形圈小，因此密封垫材料选择材质软的天然橡胶（NR），连接处同样使用力矩扳手拧紧各个螺栓，使螺栓预紧力一致，密封垫受压均匀，保正密封性。
在使用O形圈密封时，密封效果与密封圈的压缩率和拉伸率有关，压缩率过小，不能达到好的密封效果，压缩率过大会使密封圈损坏变性[17-18]。同样，当O形圈的拉伸率过大，会降低密封圈的弹性，使密封效果不佳。通常情况下，在使用O形圈进行密封设计时，其压缩率控制在15%～30%为宜[19]，O形圈的压缩率计算公式如下[20]：
式中：t为沟槽的深度，mm；d为O形圈的截面直径，mm；ε为压缩率。
O形圈在承受径向力被挤压时，密封设计应注意其径向变形量的控制，其最大拉伸率最大不应超过4%。O形圈的拉伸率计算公式如下[16]：
式中：D1为O形圈内径配合的轴，mm；D为O形圈内径，mm；δ为拉伸率。
本文使用直径4mm密封圈，并根据国标确定槽宽，根据上述压缩率和拉伸率公式最终确定沟槽度和配合轴的直径。
4打压及密封性试验
根据设计结果对耐压舱进行了制造加工，密封表面均进行打磨抛光处理，并对零件进行了装配。试验前在其内部放置干燥纸张，拧紧密封螺栓。随后将耐压舱在压力水罐中进行耐压、密封试验，如图5所示。试验过程为，按2 MPa/min的速率升压，压力达到设定值1 MPa后保压60 min，期间筒内压力波动为±0.1 MPa，保压结束后按均匀速率泄压至标准大气压。试验前后均对耐压舱进行称重，通过质量变化及检查内部纸张干燥程度判断密封是否完好，通过壳体完整性检查耐压性。
试验后，经检查耐压舱外观完好未发生破坏，通过对实验前后质量对比，试验前后质量没有增加。对壳体开盖检查，内部纸张干燥无潮湿，确认未发生漏水、渗水现象，密封完好。此试验结果表明，本文设计的耐压舱结构强度和密封效果良好，满足使用要求。
5结束语
本文设计了一种水下观测器的耐压舱，整体形状为前端圆柱形后端近似椭圆形结构，并通过流线设计进行过渡连接，舱体采用分段形式提高强度，分别使用尼龙7500材料3D打印和钛合金TC4数控加工而成，首部为融石英材料的平面窗口玻璃，为相机提供观察视角。为了验证结构设计的合理性，利用分析软件对舱体和窗口玻璃进行了静力学仿真，结果表明舱体和窗口玻璃满足强度要求。在分析的基础上，进一步验证耐压性和密封性，对耐压舱进行了水压试验，试验结果表明耐压舱未发生破坏，内部未漏水，验证了耐压舱的设计合理性。
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水下耐压舱的结构设计与分析论文
人参与 2024-07-16 14:29:15 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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