赵俊霞，彭建红*，唐校兵，吴建波
中科长城海洋信息系统有限公司,北京 100190
摘要：目的验证静水压力试验应变片检测与有限元分析的准确性和可靠性。方法对试件进行静水压力试验和仿真数据进行对比分析。结果试验测试值与仿真结果基本一致，试件焊缝处的弹性模量与母材弹性模量基本一致。结论该应变测试方式与有限元仿真模型分析建立的准确可靠。在静水压力试验时，该应变片检测能实时监测压力容器的健康状态，保护压力容器在静水压力试验过程中的安全性。
关键字：静水压力试验 应变检测 有限元分析 耐压舱
0前言
浩瀚的海洋中蕴藏着人类设备发展的各种资源。海洋中丰富的资源为人类的生存和发展提供了必要的物质基础。随着人类对海洋资源的不断发掘，海洋探索逐渐向深海化，透明化和智慧化发展[1]。电子舱作为水下探索设备的重要组成部分，其主要承受是深海压力、海水腐蚀、海流的扰动，为内部电子元器件装置、仪器设备等提供安全环境[2-4]，因此其舱体的安全性尤为重要。
舱体作为一种压力容器，计算方法包括数值法和试验法等。数值法包括差分法和有限元法，该方法受建模、边界条件设置和网格划分影响很大，模拟结果的可靠性需要验证。实验法是通过应变片感应压力容器的变形量来检测压力容器。本文重点介绍压力容器中实验法和有限元法的对比研究，验证实验测试方式和有限元仿真模型建立的可靠性。
1 应变实验方案
1.1静水压力试验试件及装置
水密耐压壳的设计为球壳形式，材质选用比强度高、耐局部和均匀腐蚀的材料名称为Ti-6AI-4V（简称：TC4）的钛合金。密度：4510kg/m3，常温下的力学性能为：σb≥870MPa，σr0.2≥825MPa，δ延伸率≥10%，断面收缩率≥25%，ν泊松比=0.3，E弹性模量=110GPa。上下球壳通过螺栓连接，舱体外形为直径Φ1155mm（不含法兰边）。本实验是在中国科学院深海所的“全海深超高压模拟试验装置”进行。
1.2 应变片测试方案
本次应变测试采用日本进口的KFG-5-120双轴应变片进行应变测量，同时采用UCAM-60B数字式静态采集系统进行应变数据采集，通过SUBCONN16芯水密连接器将采集的数据传输到上位机进行实时处理，测试系统框图如图1所示。
试验应变片的粘贴位置选取的是球壳变形最大的位置和球壳壳体与法兰颈焊缝对接的位置。此外为考虑试验时温度对应变片的影响，选取一点设置一个温度补偿片作为应变温度补偿。即：测试时选取4个测试点分别为：上半球变形最大区域的A点；上半球焊缝对接位置B点；下半球焊缝对接位置C点；温度补偿片D点。应变片粘贴时Y轴对应球舱的轴向，X轴对应球舱的周向，为确保应变片测试数据的准确性，应变片粘贴时严格确保应变片坐标系与球舱轴向和轴向对齐，粘贴应变片后的球舱试验如图2所示。
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1.3 实验过程
试验最高压力18MPa，试验采用2个循环；每个循环采用3级升压（10MPa，12MPa，15MPa），每级保压5min，阶梯升压至18MPa后保压1h；泄压采用与加压相同的阶梯泄压，具体试验压力加载谱见图3所示。
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实验过程中实时监测应变片应变值，异常情况应立即停止试验。试验开始时捕捉0MPa时的应变片值，并在10MPa、12MPa、15MPa、18MPa保压记录X向和Y向应变值，测试点的最终应变值为试验检测值减去补偿片的应变值时的应变值。
2.3 试验结果
CH000（Y）、CH001（X）为A点Y向、X向应变值；CH002（Y）、CH003（X）为B点Y向、X向应变值；CH004（Y）、CH005（X）为C点Y向、X向应变值。试验后得到电子耐压舱A、B、C点分别在X与Y向的微应变结果如表1所示。
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注：表中数据已考虑了0MPa和相关补偿应变片后的数据。
2 Ansys有限元分析
2.1舱体仿真分析
因上、下半球对称，根据耐压舱的工作情况，建立二分之一模型，采用workbench自由网格划分，网格定义中relevance设置70，relevance center设置为medium，仿真时对法兰面施加轴向位移为0的约束。为了能准确反应球舱的应力分布情况以及验证与静水试验的应变情况，测试点同样选取上半球变形最大区域的A点；上半球焊缝对接位置B点；下半球焊缝对接位置C点。
通过对球壳模型外表面依次施加10Mpa、12Mpa、15Mpa、18Mpa的外压力，并分别记录在各压力下X向和Y向应变值。球壳在18Mpa压力作用，其A、B/C点X轴与Y轴应变分析如图4与图5所示。
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2.3仿真结果
根据仿真分析，球舱各压力下A、B/C点的X、Y方向上的应变值如表2所示。
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3 对比分析
由于仿真坐标原点为球心，仿真计算中的结果的“-”代表各轴的负方向。试验中测得的微应变值“-”表示应变片的负方向。试验中的微应变绝对值×10-6=仿真应变值的绝对值。对表1各阶压力下的微应变求平均值后换算成应变绝对值与仿真值的对比分析见表3所示。
从表3的对比数据可以看出，仿真和试验应变值均随压力增大呈上升趋势，仿真值和应变实测值在沿球舱的周向和轴方的应力基本吻合，其偏差均在可接受范围内，通过分析造成这种可接受范围的偏差的可能原因如下：
1）在球舱上贴上的应变片歪斜，易使试验测得的应变值存在固有偏差；
2）仿真计算取值点与实际贴应变片区域存在偏差。
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4结论
1）本文通过对耐压球舱的静水压力试验数据与仿真数据的对比分析，相互验证了应变测试和有限元分析的准确性和可靠性。
2）通过静水压力试验过程中实时检测应变片的变化情况可监测球舱的应变变化过程，避免球舱在静水压力试验过程中发生破坏性的损坏。
3）通过焊缝对接处应变测试，焊缝处的检测应变值与仿真应变值基本一致，表明TC4球壳焊缝处的弹性模量与母材弹性模量基本一致。
参考文献
[1] 曾岑,臧强真,张鹏等.浅水ROV电子舱结构设计及关键力学问题分析[J],工程机械.2020,51(5):38-43.
[2] CUI W C,XU Q N,LIU T. Design and Construction of the Deep Manned Submersible” Harmony”[J]. ShipScience and Technology,2008(1):17.
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[4] 俞铭华,王自力,李良碧等.大深度载人潜水器耐压壳结构研究进展[J].华东船舶工业学报, 2004, 18(4):1.