庞书勇
身份证号码23018419891208****，黑龙江省哈尔滨市 150000
摘要：水下通信节点是实现深水通信的重要载体，也是实现海洋开发和测量的重要设备。耐压舱是承受外部压力、保护内部设备正常运行的重要装置。为了满足海洋1500m深度的实际应用需要，采用传统的耐压舱结构设计的整体分析方法来验证整个结构的稳定性，在实际工程应用中，局部特殊结构需要破坏耐压舱的整体连续性，使得局部应力突变和结构失稳导致整体设计失效，耐压舱的合理设计变得非常复杂。根据耐压舱几何结构的连续性和不连续性，将耐压舱的应力分为应力连续区和应力不连续区，采用ANSYS数值模拟方法进行分析。通过局部加厚的方法，在满足实际需要的前提下尽可能的减少厚度。
关键词：耐压舱体；ANSYS；连续应力区；不连续应力区
随着各国海洋资源的不断开发，海底资源探测、目标定位与识别、环境参数监测、数据信息收集以及相关军事海防领域的对抗等问题受到广泛关注。Seaweb是美国海军多年开发的海洋网络，是目前比较成功的水声网络概念。最大点对点通信距离10km，部署深度小于1000m。欧盟已经开发了一系列水声网络研究项目。节点间距200 ~ 2000 m，通信距离10km以上，部署深度小于1000m，我国水声通信网建设早在2001年就在部分单位开展。然而，目前关于海上水声通信网络建设的实质性研究成果很少，多为理论研究和仿真实验。中国科学院声学研究所、中国船舶工业总公司第715研究所、哈尔滨工程大学、东南大学、西北工业大学等研究所也进行了小规模水声网络建设和通信实验。
深水通信研究的关键问题之一是耐压舱承受外部压力的能力。不合理的设计不仅会造成不必要的损失，还会延误项目的整体进度，因此有必要提出有效的设计和仿真验证。以某863项目的具体需求为例，介绍了水下通信节点的重要组成部分——耐压舱的设计和制造过程。在实际应用中，耐压舱的连续结构被破坏，产生局部高应力区，不满足初始设计耐压条件；提出了总应力和局部应力的分析方法。设计耐压舱时，第一步是只考虑舱体的整体结构，即连续受力区，完成初步设计，验证整个结构的稳定性。第二步，由于工程需要，在舱体上进行钻孔等作业也会破坏壳体的稳定性，因此需要重点关注局部结构不连续性引起的应力不连续性，采用ANSYS数值分析计算的许用应力值来调整局部材料的厚度或局部结构设计，以满足耐压需要。采用整体和局部设计相结合的方法，提高了耐压壳体的设计效率，避免了材料的浪费，充分保证了接头壳体在深水和高压条件下的稳定性和有效性[1-4]。
1总体设计
耐压舱的总体设计以弹性失效准则为基础，在弹性范围内限制容器内一定的最大应力即可满足安全准则。耐压舱分为两部分，主体采用圆柱形结构，易于加工制造，内部舱体布局合理，内部空间利用率最高。头部采用球形头，具有制造容易、稳定性高、体积密度小的优点[5]。
圆筒主体结构长600毫米，圆周肋等间距排列。在承受相同外压的情况下，尽量选择内表面和肋片[5]。在本设计中，为了满足实际应用的需要，采用了内外肋相结合的方式。压力舱材料为304L型钢，屈服强度σ=225MPa，密度7.85g/cm3，弹性模量E=2.12×105MPa，泊松比μ=0.31。当安全系数为1.5时，材料的许用应力为150兆帕。如果需要满足水下1500m的工作环境，则计算外压Pj=15MPa。
2应力连续区的应力验证
2.1圆柱体的屈曲计算和校准
根据参考文献[6]的规定，承受外压的壳体需要进行壳体板的稳定性试验，即屈曲计算和验证，以及应力计算和验证。
耐压舱室在深水中工作时，环肋圆柱壳有两种失稳形式:肋间壳板失稳(局部失稳)和肋失稳(舱室失稳)。肋间壳板的失稳是指当肋和中间扶壁的刚度超过其临界刚度时，壳板在多个间隔内形成几个连续的凹凸交替半波。肋失稳是指当肋的刚度小于其临界刚度，外压超过其临界压力时，整个座舱内的圆柱壳失去整体稳定性。
圆柱壳屈曲压力的计算公式为:
Pc=0.75×Cs×Pe(1)，其中Pe为临界弹性压力；Cs是材料的物理非线性修正关系，可以通过计算参数v和b得到。
Pc=121.94MPa，Pc>Pj，即壳板稳定性满足设计要求。
相邻舱壁之间按（2）式计算其屈曲压力：
Pz=0.75×Cs×Pe
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式中：在无强肋骨时=3.14D1/2L0n为临界值，计算过程中由试验确定一般取值2，3，4，5，取合适的n值使得Pe1取值最小；I为肋骨剖面惯性矩。
计算可以得到Pez=134.94MPa，Pz>1.2Pj，满足总体稳定性。
圆筒应力计算和校验，在均匀外压作用下壳体受力轴对称问题的三相应力：
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其中y1是相邻肋中点处壳板的周向平均应力；Y2为肋处壳板的轴向应力；Y3为肋骨应力；K1、K2、K3是系数。
根据计算，y1 = 170.625MPa兆帕，满足y1 <
0.85σ条件；Y2=214.98MPa，满足y2<1.15σ的条件；Y3=85.31MPa，满足y3≤0.6σ的条件..根据上述公式，圆柱壳的应力条件满足。
2.2球形封头的应力计算和校准
球壳壳板的应力计算应按公式(5)计算：
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计算可以得到y=85.31MPa，y<0.85σ，满足强度要求。
球形封头屈曲计算按（6）式计算：
PCR = Cx×Cz×Pe(6)；Pcr=576.24MPa，如果Pcr>Pj，则满足设计要求。利用ANSYS软件[7]进行模拟分析，得到了圆柱壳和球形封头的应力分析。
圆柱壳和球形封头的最大应力分别为149.01兆帕和126.78兆帕，小于许用应力值，满足设计要求。
3应力不连续区的应力验证
压力容器的不连续区域往往是压力容器的高应力区域。由于不连续区的几何形状一般比较复杂，用解析法很难精确求解，通常采用有限元法进行计算。间断可分为两种类型:一般结构间断和局部结构间断。
因此，球形头的厚度与连接的圆柱体的厚度有很大不同。由于结构的不连续性，过渡区成为耐压舱的高应力区之一。为了减小突变应力，过渡区采用合适的锥体结构，球形封头与圆柱壳连接区采用几何结构和网格。
最大应力强度出现在过渡段与球壳的连接处，为105.5兆帕，小于许用应力值，满足设计要求。
在这种设计中，局部结构的不连续性被用来通过在头部顶部开孔来连接换能器，这破坏了壳体材料的连续性，削弱了原始的承载面积，并且肯定会在开孔边缘附近引起应力集中。开口半径为9mm时满足应用需求，而原设计中开口边缘厚度为12 mm。
最大应力值出现在球壳和开口接头的最高位置，最大应力强度为167.92兆帕，不符合设计要求。
最大应力出现在球壳最高位置与开口的连接区域，最大应力强度分别为162.16兆帕、156.7兆帕、156.59兆帕和149.68兆帕。当边缘厚度为16毫米时，满足设计要求。实际上，边缘厚度为16毫米，在保证安全可靠的前提下，最大限度地减少了材料的浪费。
4密封设计
水密性是所有潜水设备的重要指标之一。目前常用的密封方法有自密封、研磨面密封、O型圈密封、橡胶圈密封、螺纹连接密封等。o形密封圈具有密封性能好、使用寿命长、结构紧凑、拆卸方便、性价比高等优点。O型圈安装在密封槽内后，其横截面一般压缩15%~30%。在中等力的作用下，移动到凹槽的另一侧，封闭待密封的间隙，从而达到密封的目的[8]。
5实验结论
耐压舱已在哈尔滨工程大学水声技术国家重点实验室进行了测试，在1500m深水模拟高压环境下工作2小时，工作性能稳定，符合预期。
用这种方法设计的耐压舱充分发挥了其优点:易于加工，符合安全要求，尽可能减小舱体的整体和局部厚度，大大降低舱体本身的成本和重量，便于运输和使用[7-8]。耐压舱几何结构的不连续区域引起应力突变，需要重点分析。最强应力值出现在开口边缘，开口越大，应力值越大，所需材料越厚。本文的计算和研究结果对水下耐压船体的设计具有积极的参考意义。在未来的研究中，耐压船体的设计可以更加规范化和制度化，减少设计的重复和全面性，提高设计效率，以满足我国海洋发展日益迫切的需求。
参考文献：
[1]刘涛.深海载人潜水器耐压球壳设计特性分析[J].船舶力学,2007,11(2):214-220.
[2]杨再秀.基于DSP的水声应答器系统设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2007.
[3]庞雷.高精度水下定位系统[D].西安：西北工业大学，2007.
[4]田坦.声呐技术[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2009：33-36,204-206.
[5]余伟炜,高炳军.ANSYS在机械化工装备的应用[M].北京:中国水力水电出版社,2007.