全海深载人潜水器超高强度钢制载人球壳的极限强度分析与模型试验

第23卷第1期 2019年1月

船舶力学

Journal of Ship Mechanics

Vol+23 No+1

Jan+2019

文章编号！1007-7294(2019)01-051-07

全海深载人潜水器超高强度钢制载人球壳的

极限强度分析与模型试验

于爽U，胡勇2!王芳2!杨青松2!崔维成2

(1.上海海洋大学工程学院，上海201306; 2.上海深渊科学工程技术研究中心上海海洋大学，上海201306)

摘要：载人耐压舱是保证载人潜水器安全性的最核心部件，文章主要针对上海海洋大学正在研制的万米载人潜水器开展载人球壳的极限强度理论分析和模型试验研究。该载人耐压球壳采用超高强度马氏体镍钢。有限元分 析包括静应力分析和屈曲分析，获得了耐压球壳的极限强度和失效模式;在此基础上，设计了模型球进行了极限 破坏试验。通过有限元分析结果和试验结果对比，获得了球壳极限破坏压力失效模式和加载过程中球壳表面应 变的变化历程。试验结果和有限元结果基本一致，验证了设计方法对马氏体镍钢球壳的适用性。该研究为后续 全海深耐压球壳的设计提供了可靠的试验和理论基础。

关键词！马氏体镍钢；耐压球壳模型；有限元分析；试验验证

中图分类号：U661.43 U674.94 文献标识码：A doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2019.01.006

Ultimate strength analysis and model tests for

full-ocean-depth manned cabin

YU Shuang1，2, HU Yong2, WANG Fang2, YANG Qing-song2, CU5 Wei-cheng2

(1. College of Engineering Science & Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 2. Shanghai

Engineering Research Center of Hadal Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China) Abstract：The reliability of manned cabin is a key issue for the safety of a human occupied vehicle, espe­cially for one which will operate for full ocean depth. A new full-ocean-depth manned submersible is be­ing developed in Shanghai Ocean University and a type of high strength maraging steel is a candidate ma­terial used for the manned cabin. This paper focuses on the ultimate strength assessment of the manned cab­in. Theoretical analysis, finite element analysis and model test are used to assess the ultimate strength for the model. According to the theoretical analysis and model test, some useful conclusions are drawn, which will provide basis for design of the full-ocean-depth manned submersible.

Key words：full ocean depth; human occupied vehicle; manned cabin; ultimate strength;

theoretical analysis; model test

〇引言

近几年，国际上已在全海深载人潜水器技术上展开激烈的竞争，若我国能在作业型载人潜水器研收稿日期& 2018-11-28

基金项目：国家自然科学基金面上项目（51679133);国家自然科学基金重点项目（51439004);

上海市2014曙光计划（14SG49)

作者简介&于爽（1992-)，男，硕士研究生，E-mail: 1181061950@;

胡勇（1975-)，男，博士，研究员。

52船舶力学第23卷第1期

制中抢得先机，不仅有利于巩固我国在海洋技术上的领先地位，还有助于推动我国在深海科学技术上的发展。

全海深作业型载人潜水器作为当今世界上最为先进的海洋装备的一部分，能够搭载科学家深人大洋深处，直观地进行科学考察与研究工作，在研究海洋地质、资源调查、研究深海生物、海洋化学等方面拥有着不可替代的作用!1]。载人舱耐压球壳是全海深载人潜水器的关键部件之一，在承受交互变化的静水压力以及深海未知环境的情况下，需保证舱内人员安全以及设备的正常运行。因此，耐压球壳需要有足够的强度，但同时应尽量减小重量，以免影响潜水器的总体性能和重量指标'各大船级社潜水器和潜水系统规范中对潜水器耐压壳体的设计和制造方法都进行了描述!3_8]。

开展基于超高强度马氏体镍钢的耐压结构材料性能研究及球型结构静水压力作用下的结构强度计算方法研究，是研制11 〇〇〇+全海深载人潜水器“彩虹鱼”号载人舱的首要问题，也是核心关键问题。上海海洋大学深渊科学与技术研究中心在上海海洋大学和上海彩虹鱼海洋科技股份有限公司联合资助下，开展11 〇〇〇+级全海深载人潜水器“彩虹鱼”号的研制工作，采用曾在两台6 000 +级“和 平”号载人舱上所使用过的马氏体镍钢（1'N i250)来制造全海深载人舱。因此，基于现有的规范设计方法[3]和大深度载人深潜器的前期研究成果，本文通过模型球压力试验验证马氏体镍钢耐压球壳的设计和分析方法，为研制11 000 +载人舱提供理论和试验基础。

1模型设计与验证

1.1压力设备和模型球参数

根据目前全海深海洋环境模拟设备限制条件，即目前深海压力环境模拟设备最大内径为1000 ++，最高承压140 M Pa，以及全海深载人潜水器研制需求，所提出的模型球的内径为800 ++，设计估算的极限强度载荷控制在110 M Pa左右。模型球的设计参数见表1，马氏体时效镍钢材料机械性能见表2。

表1设计输入参数

Tab.1 Design parameters

设备压力范围模型球破坏压力设备内径模型球内径

0-140 MPa105-112 MPa 1 000 mm800 mm

表2球壳物理参数

Tab.2 Physical parameters of the spherical shell

(MPA)(MPA)E (GPA)*012 (J)

硬度%1 650%1 7301860.3% 6?% 25?% 1548-53

1.2模型球设计标准

根据《潜水系统和潜水器人级规范》[3]，假定耐压壳体厚度为！，球壳薄膜应力计算如下:

$0=$%(2)

$=$. +4~

"%2(3)其中*$0为球壳外半径，$"为球壳中面半径，$%为球壳内半径，&为最大工作压力。

而球形耐压壳体的极限强度计算方法则规定如下*