一種用于水下的測量體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與受力分析

曲元鑫

(大連測控技術(shù)研究所，遼寧 大連 116013)

0 引言

隨著我國對海洋聲學(xué)領(lǐng)域探索加深，水下測量儀器越來越多，這些儀器屬于水下測量體。水下測量體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與水面設(shè)備不同，設(shè)備在水下受水壓力大，受力模型復(fù)雜，對它們進(jìn)行水中受力分析是測量體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必不可少的一部分。

1 水下測量體受力分析

測量體一般都是空腔設(shè)計(jì)，空腔內(nèi)部裝有電路及測量儀器，整體設(shè)計(jì)為懸浮或者坐底形式。水下測量體在水中所承受的力主要有水介質(zhì)對測量體產(chǎn)生的浮力、測量體自身的重力以及水流運(yùn)動(dòng)對測量體產(chǎn)生的沖擊力(如圖1(a))，無論外形結(jié)構(gòu)是何種形式，測量體在水中會(huì)受到水流運(yùn)動(dòng)的沖擊，沖擊力迫使測量體改變預(yù)想的姿態(tài)，無法正常工作。由于水下存在強(qiáng)大的水壓力(如圖1(b))，會(huì)對整個(gè)測量體的周圍產(chǎn)生影響，使測量體變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致測量體內(nèi)部漏水，系統(tǒng)損毀。

聲特性測量的時(shí)候，由于水聽器指向性不同，要求測量體以不同姿態(tài)在水中工作。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，測量體要想滿足設(shè)備使用，維持正常工作狀態(tài)，必須根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整自身的形狀，減少水中所受外力及壓力對自身產(chǎn)生的影響。

圖1 水下測量體受力分析Fig.1 The stress analysis of underwater measurement

2 典型形狀測量體設(shè)計(jì)及受力分析

在水下，對測量體產(chǎn)生影響的力除了重力和浮力外，水流沖擊力和水壓力也是測量體設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮的因素。

2.1 水流沖擊力

水流沖擊力的產(chǎn)生原因是流體具有粘性［1］。當(dāng)測量體表面與流體發(fā)生接觸時(shí)，由于流體的粘性，緊挨測量體表面的一層流體粘附在測量體表面。跟它相近的一層會(huì)由于流體的粘性，降低流動(dòng)速度。當(dāng)?shù)?層流體的速度降低之后，第3層流體也會(huì)產(chǎn)生減速……，這種粘性的反作用，形成了水流對測量體的沖擊力。不同流體自身的粘性不同，因而同樣流速情況下產(chǎn)生的沖擊力大小不同。

水流沖擊力公式［1］為:

式中:R為物體在流體中作等速運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的流體阻力;C為阻力系數(shù)(無因次常數(shù)，見表1);ρ為流體的質(zhì)量密度，kg/m3;S為測定阻力系所采用物體的特征面積;V為物體與流體的相對運(yùn)動(dòng)速度，1 kn=0.5 m/s。

表1提供了大多數(shù)水下測量體能出現(xiàn)的形狀，不同形狀的測量體，受水流沖擊的表面的形狀不同，根據(jù)表1選擇不同的阻力系數(shù)，從而計(jì)算出水流對測量體的沖擊力。

2.2 水壓力

由于測量體內(nèi)部往往設(shè)計(jì)成空腔，測量體在水下由于內(nèi)外壓力差不同，受到水壓影響，殼外的壓力大于內(nèi)部壓力，形成外壓容器。由于考慮到減小水流沖擊、增大可利用體積等因素的影響，常用的水下測量體采用圓筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此可以看做是一種外壓容器。外壓容器在水下受到水壓力作用，會(huì)引起筒壁內(nèi)的徑向和環(huán)向壓縮應(yīng)力，這種壓縮應(yīng)力如果大到材料的屈服點(diǎn)或抗壓強(qiáng)度，將會(huì)導(dǎo)致容器失穩(wěn)，造成測量體失效［2］。

各行各業(yè)在生產(chǎn)經(jīng)營的時(shí)候，選擇什么樣的納稅人身份必須依據(jù)自身的企業(yè)特點(diǎn)作出選擇。根據(jù)納稅人身份登記管理政策，如果小規(guī)模納稅人符合一定的條件，不管銷售額有沒有達(dá)標(biāo)都可以轉(zhuǎn)為一般納稅人。沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的小規(guī)模納稅人則可以通過下面的方法來選擇納稅人身份。

容器失穩(wěn)主要分為側(cè)向失穩(wěn)、軸向失穩(wěn)和局部失穩(wěn)。側(cè)向失穩(wěn)會(huì)引起測量體產(chǎn)生漏水、破壞的情況。軸向失穩(wěn)直接會(huì)破壞測量體外殼結(jié)構(gòu)，引發(fā)漏水或損毀情況。

為了防止容器失穩(wěn)，在設(shè)計(jì)水下測量體的時(shí)候，需要根據(jù)測量體的工作深度，計(jì)算其所受的壓力情況。依據(jù)測量體工作時(shí)所受的壓力，進(jìn)行材料選擇、封頭設(shè)計(jì)、壁厚計(jì)算。通過不同的局部加固技術(shù)，保證測量體能承受工作壓力，穩(wěn)定工作。

按照工程上對外壓圓筒的區(qū)分，圓筒形水下測量體可分為長圓筒、短圓筒和剛性圓筒3種，作為長短的計(jì)量因素，主要依靠圓筒的長度與直徑D0、壁厚Se等因素的影響，而不是指絕對長度。因此，針對不同結(jié)構(gòu)形式的測量體，采用不同的公式計(jì)算長度與壁厚［2－3］。

2.2.1 長圓筒

式中:Pcr為臨界壓力，MPa;δe為筒體的有效厚度，mm;D0為筒體的外直徑，mm，D0=Di+2δn;Et為操作溫度下圓筒材料的彈性模量，MPa;m為材料的泊桑比。

2.2.2 短圓筒

短圓筒的臨界壓力不僅與圓筒的相對厚度δe/D0有關(guān)，同時(shí)也隨圓筒的相對長度L/D0而變化。L/D0越大，封頭的約束作用越小，臨界壓力越低。

其中:L為圓筒的計(jì)算長度，依靠增加加強(qiáng)圈的方法，可以縮短計(jì)算長度，增加圓筒耐壓強(qiáng)度。

2.2.3 剛性圓筒

對于剛性圓筒，一般它的厚徑比Se/D0大，而長徑比L/D0小，因此不存在失穩(wěn)破壞問題，只需要校核強(qiáng)度即可。

3 水下測量體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 測量體結(jié)構(gòu)材料選擇

由于海水具有強(qiáng)烈的腐蝕性，在選擇測量體材料的時(shí)候，除了考慮耐壓、導(dǎo)流因素外，還需要選擇穩(wěn)定性強(qiáng)，不易被氧化的材料，其中常用的材料有不銹鋼材料、鋁合金材料以及非金屬材料中的玻璃鋼材料［4］。不銹鋼體系中的耐海水不銹鋼對海水腐蝕的耐受性很強(qiáng)，材料易于加工，易于焊接，成品表面光潔度好。材料力學(xué)性能好，能適應(yīng)大深度測量體使用需求。但是不銹鋼材料密度較大，需要更多的浮力來支持測量體保持水中姿態(tài)。不銹鋼材料常用于大深度測量體設(shè)計(jì)。鋁合金中的純鋁系、Al－Mn系和Al－Mg系耐腐蝕性能比較好，而且重量輕，易于加工，成品表面光潔度好，但是鋁制材料焊接性能差、強(qiáng)度相對不銹鋼小，常用于加工需求相對簡單的測量體制作。玻璃鋼材料作為非金屬材料的一種，也常常用于水下測量體。玻璃鋼材料不受海水腐蝕，密度小，設(shè)備成品重量輕，對聲、磁、光線的遮擋較小。但是玻璃鋼材料屬于一次成型產(chǎn)品，二次加工能力差，產(chǎn)品強(qiáng)度低，受到外力碰撞易于損壞。由于玻璃鋼材料耐壓性能一般，常用于工作在中等壓力水深的測量體或者作為測量體上各種傳感器的導(dǎo)流罩使用。

3.2 局部加固技術(shù)

針對水壓力影響，使用局部加固技術(shù)可以減少測量體的厚度，降低測量體自重，從而獲得更大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。需要局部加固的地方有受壓封頭、圓柱形測量體筒壁。

受壓封頭的形式主要有平面封頭、球冠型封頭、橢圓形封頭、蝶形封頭［2］。不同形狀的封頭能承受的壓力大小也不同。在選用同樣材料，且不增加厚度和封頭直徑的情況下，平面封頭所能承受的壓力最小，蝶形封頭承受的壓力其次，能承受壓力最大的是球冠型封頭。各種形式封頭的設(shè)計(jì)加工特點(diǎn)不同，設(shè)計(jì)的時(shí)候還需要根據(jù)具體需要，選用不同的封頭。

加強(qiáng)圈是針對圓柱形測量體筒壁受壓的情況，在直徑和壁厚不變的情況下，提高其臨界壓力的做法。通過在適當(dāng)?shù)牡胤皆黾蛹訌?qiáng)圈，可以縮短圓筒的計(jì)算長度，增加圓筒的剛性。加強(qiáng)圈應(yīng)該有足夠的剛性，通常采用扁鋼、角鋼、工字鋼等型鋼。

3.3 水中姿態(tài)調(diào)整技術(shù)

當(dāng)測量體懸浮在水中的時(shí)候，由于水流沖擊力作用，測量體會(huì)發(fā)生傾斜，無法滿足設(shè)計(jì)姿態(tài)，導(dǎo)致測量儀器無法正常工作。

按照經(jīng)典力學(xué)理論，當(dāng)不存在水流沖擊力的時(shí)候，測量體由于重力、浮力以及配重纜繩的拉力作用，姿態(tài)保持垂直。當(dāng)測量體受到水流沖擊力的時(shí)候，沖擊力的作用方向與前3個(gè)力的方向垂直，合力的作用結(jié)果，導(dǎo)致測量體沿著合力作用點(diǎn)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。最終在合力矩的作用下，當(dāng)測量體傾斜一定角度后，形成穩(wěn)定姿態(tài)(見圖2)。

圖2 測量體因?yàn)樗鳑_擊力作用發(fā)生傾斜Fig.2 The inclination of measurement for the water impact

由于測量體需要在垂直姿態(tài)下，根據(jù)應(yīng)用水域水流的大小，通過改變錨纜的安裝位置，改變錨纜拉力受力點(diǎn)，使各種作用力的合力將測量體調(diào)整到垂直姿態(tài)(見圖3)。采用橡皮繩或者減震彈簧還可以減少水流沖擊力變化帶來的設(shè)備抖動(dòng)。

3.4 密封技術(shù)

水下測量體密封設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，實(shí)際應(yīng)用過程中，因密封引起的設(shè)備故障比因內(nèi)部電路引起的故障高。由于水壓力的作用，結(jié)構(gòu)體會(huì)產(chǎn)生微小變形，微小的縫隙也會(huì)給測量體密封性能帶來致命的威脅。測量體連接部位選用不同的材料，由于水下溫度較低，不同材料的熱變形能力不一樣，熱膨脹也會(huì)引起結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致密封隱患。另外需要注意的是，海水腐蝕引起密封材料老化，密封材料張力得不到控制也會(huì)造成密封失效。

圖3 測量體調(diào)整后的姿態(tài)Fig.3 The adjustable attitude of measurement

4 結(jié)語

由于水中環(huán)境復(fù)雜，水下測量體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素還有很多，這里只是例舉了幾種典型受力情況。隨著海洋技術(shù)探索的深入發(fā)展，水下測量體越來越向著模塊化、系統(tǒng)化方向前進(jìn)，高集成度設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化模塊的出現(xiàn)，會(huì)使測量體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更加合理可靠。

［1］屠大燕.流體力學(xué)與流體機(jī)械［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2000，263 －268.

［2］刁玉瑋，王立業(yè).化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)(第五版)［M］.大連:大連理工大學(xué)出版社，2003.

［3］梁基照.壓力容器優(yōu)化設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［4］左禹，熊金平.工程材料及其耐腐蝕性［M］.北京:中國石化出版社，2008.