常壓潛水裝具半球形觀察窗蠕變特性分析

楊青松，胡 勇，侯德永，劉志河

（1中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082；2上海海洋大學，上海 201306；3海軍海洋測繪研究所，天津 300060）

常壓潛水裝具半球形觀察窗蠕變特性分析

楊青松1，胡 勇2，侯德永1，劉志河3

（1中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082；2上海海洋大學，上海 201306；3海軍海洋測繪研究所，天津 300060）

常壓潛水裝具半球形觀察窗是常壓潛水裝具的關(guān)鍵設備之一，與仿人形耐壓軀體組合，能為潛水員提供裝具內(nèi)的常壓環(huán)境，并為潛水員提供足夠的觀察視野。作者針對半球形觀察窗接觸變形、蠕變變形等問題做出了計算分析與試驗研究，并應用于半球形觀察窗設計中，以期對類似水下用半球形觀察窗設計提供參考。

常壓潛水裝具；半球形觀察窗；蠕變分析

0 引 言

常壓潛水裝具（ADS）為“十二五”國家科技重大專項子課題，任務目標開發(fā)一套600 m級工作深度的單人常壓潛水裝具樣機，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的單人常壓潛水裝具系統(tǒng)技術(shù)及相關(guān)能力，填補我國大深度深水工程作業(yè)技術(shù)的空白，為海上油氣田安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障；半球形觀察窗是常壓潛水裝具的關(guān)鍵設備之一，與仿人形耐壓軀體組合能為潛水員提供裝具內(nèi)的常壓環(huán)境，并為潛水員提供足夠的觀察視野。觀察窗由有機玻璃半球殼與鍛鋁底座組成，有機玻璃材料性能不同于金屬材料，在外界海水壓力作用下，有機玻璃會隨著時間的推移逐漸產(chǎn)生蠕變變形。這種蠕變與受壓時間、外載荷、有機玻璃材質(zhì)、觀察窗與金屬窗座之間的接觸幾何形式、接觸面的潤滑狀態(tài)等因素均有關(guān)系[1]。半球形觀察窗設計涉及到強度問題，蠕變問題，密封問題，接觸邊界問題，且半球形觀察窗不同于平板觀察窗，設計難度更大。本文針對常壓潛水裝具半球形觀察窗，采用計算分析和試驗驗證兩種手段對半球形觀察窗的蠕變特性進行研究，以期對類似水下用半球形觀察窗設計提供參考。

1 半球形觀察窗設計

觀察窗由有機玻璃半球殼與鍛鋁底座組成，通過卡環(huán)將有機玻璃半球殼固定在鍛鋁底座上，如圖1所示。觀察窗透光直徑305 mm，有機玻璃半球內(nèi)徑167 mm，厚度33 mm。通過密封圈1實現(xiàn)有機玻璃與底座間的密封，通過密封圈2實現(xiàn)底座與常壓潛水裝具軀體的密封。

（1）窗玻璃材料選取聚甲基丙烯酸甲酯（俗稱有機玻璃）。根據(jù)中國船級社規(guī)范窗玻璃材料需具有以下性能[2]：抗拉強度σb≥62 MPa，彈性模量E≥2 760 MPa，壓縮屈服強度σ0.2≥103 MPa。本觀察窗采用的有機玻璃材料性能如下：

圖1 常壓潛水裝具半球形觀察窗Fig.1 The hemispheric window of atmospheric diving suit

2 半球形觀察窗變形計算分析

觀察窗變形主要由兩部分組成：一部分為觀察窗與窗座在海水壓力作用下發(fā)生的接觸擠壓變形，另一部分是觀察窗玻璃隨時間推移產(chǎn)生的蠕變變形。

2.1 觀察窗擠壓變形

隨著壓力增加，觀察窗在窗座上產(chǎn)生滑動位移。對于擠壓產(chǎn)生的變形，可以通過有限元接觸分析進行計算，了解在不同邊界摩擦系數(shù)下，觀察窗因海水壓力產(chǎn)生的擠壓變形。觀察窗與窗座之間是面面接觸，鍛鋁窗座設定為剛性體，觀窗玻璃設定為柔性體。根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性，采用四分之一模型進行分析，有限元模型如圖2所示。

圖2 觀察窗有限元模型Fig.2 The FEM model of window

接觸對之間的Kinematic接觸條件認為：對于主接觸體A的接觸面Γs上的任意一點，從接觸體B接觸面Γs上在變形方向上的最近接觸點可以通過它們之間的相對距離進行確定。其距離表達式為：

上式為非線性方程，可以通過牛頓—拉菲生方法求解。在t+Δt時刻，主從接觸面之間的距離可以表達為：

其中：t+ΔtN為t+Δt時刻的向接觸體內(nèi)的單位法向向量。

上式可以由線性表達來表達：

其中：Δtu（pc）為位移矢量增量，tN 為t單位法向向量。

根據(jù)Koulomb摩擦法則，總的摩擦力與兩種接觸方式有關(guān)，一種接觸方式為粘連接觸，另一種接觸方式為滑動接觸，即：

其中：0＜α≤1，μ為滑動摩擦系數(shù)。因而最大粘連摩擦力fs′與接觸材料、加工表面粗糙度、環(huán)境溫度等相關(guān)。

圖3是觀察窗在水壓6 MPa下，觀察窗最大變形與接觸邊界摩擦系數(shù)關(guān)系圖；圖4是觀察窗在水壓6 MPa下，觀察窗最大等效應力與接觸邊界摩擦系數(shù)關(guān)系圖；圖5是觀察窗在水壓6 MPa下，邊界摩擦系數(shù)為0時，觀察窗變形圖；圖6是觀察窗在水壓6 MPa下，邊界摩擦系數(shù)為0.3時，觀察窗變形圖。

結(jié)合圖3可以看出觀察窗邊界摩擦系數(shù)越小，變形越小，對比文獻[1]，這與平板錐體觀察窗邊界摩擦系數(shù)越小，軸向位移越大不同。本半球形觀察窗在邊界摩擦系數(shù)小于0.25之前，窗玻璃能夠徑向滑動，為滑動接觸階段，窗玻璃變形更趨于球形的徑向均勻壓縮變形，如圖5所示。邊界摩擦系數(shù)大于0.25之后，窗玻璃接觸邊界滑動阻力大，為粘連接觸階段，窗玻璃變形球形的徑向不均勻變形，半球頂端變形最大，且隨摩擦系數(shù)變大而邊界區(qū)域變形趨于零，如圖6所示。所以出現(xiàn)不同于平板錐體觀察窗的情況。結(jié)合圖4觀察窗邊界摩擦系數(shù)越小，應力越小，在摩擦系數(shù)0.25之后應力隨系數(shù)增大緩慢降低，可認為應力幾乎不變，即滑動摩擦區(qū)間，摩擦系數(shù)越小應力越低，粘連摩擦區(qū)間，摩擦系數(shù)對應力變化影響不大。

圖3 測量點軸向位移與邊界摩擦系數(shù)關(guān)系圖 Fig.3 Effect of displacement on coefficient of friction

圖4 最大等效應力與接觸邊界摩擦系數(shù)關(guān)系圖Fig.4 Effect of equivalent stress on coefficient of friction

圖5 摩擦系數(shù)為0時窗玻璃變形Fig.5 The displacement contour when the coefficient of friction=0

圖6 摩擦系數(shù)為0.3時窗玻璃變形Fig.6 The displacement contour when the coefficient of friction=0.3

經(jīng)測定本觀察窗在接觸邊界不涂潤滑脂情況下，摩擦系數(shù)約為0.3，本文給出觀察窗有限元計算得到的壓力—變形/應力圖，如圖7、圖8所示，可以看出窗玻璃接觸分析擠壓變形、應力與壓力幾乎成線性關(guān)系。

圖7 摩擦系數(shù)為0.3時窗玻力壓力—變形圖Fig.7 The curve of displacement under different pressure(the coefficient of friction=0.3)

圖8 摩擦系數(shù)為0.3時窗玻力壓力—應力圖Fig.8 The curve of equivalent stress under different pressure(the coefficient of friction=0.3)

2.2 觀察窗蠕變變形

觀察窗是有機玻璃制品，是一種粘彈性材料，不能簡單地按照線彈性材料來進行計算，在海水壓力作用下，觀察窗變形會隨時間增加現(xiàn)象，這種現(xiàn)象的特征是變形、應力與壓力不再保持一一對應關(guān)系[3]。文獻[4]通過系列試驗數(shù)據(jù)得到常溫下有機玻璃蠕變的回歸公式。

其中：ε為應變，εc為臨界斷裂應變，t為時間，tc為臨界斷裂時間。

εc和tc與應力水平密切相關(guān)。表1為不同應力水平下，拉伸試棒的臨界斷裂應變 和臨界斷裂時間試驗測試結(jié)果。

表1 有機玻璃應力水平與臨界斷裂應變、斷裂時間試驗結(jié)果Tab.1 The experiment results of acrylic stress on the critical fracture strain and time

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，在常溫下εc和tc可以回歸成下列公式：

將（5）、（6）式代入（3）式經(jīng)過推導可得蠕變有機玻璃觀察窗試驗的應力-應變關(guān)系式：

上式的試驗數(shù)據(jù)回歸模型可以作為觀察窗玻璃的本構(gòu)模型。本半球形觀察窗在摩擦系數(shù)為0.3時，根據(jù)（7）式觀察窗蠕變隨時間變化如圖9所示。

圖9 摩擦系數(shù)為0.3時，觀察窗蠕變隨時間變化Fig.9 The curve of displacement-time(the coefficient of friction=0.3)

3 半球形觀察窗試驗分析

針對以上半球形觀察窗，制造了樣機，對樣機進行壓力筒試驗，試驗目的有：

（1）考核半球形觀察窗的密封性能；

（2）考核半球形觀察窗耐壓強度；

（3）研究半球形觀察窗的蠕變特性。

為達到以上試驗目的，參照常壓潛水裝具的作業(yè)流程，采取以下試驗方法與試驗程序：0-6 MPa加壓試驗；6小時6 MPa保壓試驗；6-8.4 MPa加壓試驗；8.4-0 MPa降壓試驗。試驗中接觸邊界未涂潤滑脂，邊界摩擦系數(shù)為0.3。

加壓過程中0.3 MPa/分鐘步長進行加壓，每2分鐘進行一次數(shù)據(jù)采集，保壓期間每隔0.5小時進行一次數(shù)據(jù)采集，6 MPa保壓結(jié)束后，繼續(xù)按0.3 MPa/分鐘加壓至7.5 MPa，每2分鐘進行一次數(shù)據(jù)采集；進行1小時7.5 MPa保壓試驗，保壓期間每20分鐘進行一次數(shù)據(jù)采集；保壓試驗結(jié)束后，繼續(xù)按0.3 MPa/分鐘加壓至8.4 MPa，加壓期間在7.8 MPa，8.1 MPa，8.4 MPa進行數(shù)據(jù)采集；進行1小時8.4 MPa保壓試驗，保壓期間每20分鐘進行一次數(shù)據(jù)采集；保壓結(jié)束后，按0.3 MPa/分鐘步長卸壓至0 MPa，卸壓期間每2分鐘進行一次數(shù)據(jù)采集；試驗結(jié)果如圖10-13所示。

由圖10可以看出，在加壓過程中，由于壓力點時間間隔為2分鐘，時間間隔短，測量點軸向位移與壓力成線性變化，有機玻璃蠕變特性不明顯，這與有限元接觸分析結(jié)果基本相符。

圖10 0-6 MPa加壓試驗測量點軸向位移 Fig.10 The curve of displacement-pressure (0-6 MPa)

圖11 6 MPa保壓試驗測量點軸向位移Fig.11 The curve of displacement-time (when the pressure=6 MPa)

由圖11可以看出，在6 MPa保壓過程中，有機玻璃蠕變特性明顯表現(xiàn)出來。在壓力不變的情況下，隨著時間推移軸向變形逐漸增大，且在前幾個測量點位移增值大由1.13 mm增加到1.21 mm，增值0.06 mm，在保壓中期位移值趨于穩(wěn)定，在后期位移值逐漸增加至1.24 mm，整個保壓期間有機玻璃軸向位移蠕變量為0.11 mm。對比圖9可以看出理論求解得到的6MPa 6小時保壓蠕變量0.12 mm與試驗結(jié)果相差不大，說明蠕變理論求解是可參考的。

由圖12可以看出，在7.5 MPa與8.4 MPa保壓期間，有機玻璃軸向位移蠕變量均為0.01mm，加壓過程中位移與水壓成線性關(guān)系。

由圖13可以看出，在降壓過程中，由于壓力點時間間隔為2分鐘，時間間隔短，測量點軸向位移與壓力幾乎成線性變化，有機玻璃蠕變特性不明顯。

圖12 6-8.4 MPa加壓試驗測量點軸向位移 Fig.12 The curve of displacement-pressure(6-8.4 MPa)

圖13 8.4-0 MPa降壓試驗測量點軸向位移Fig.13 The curve of displacement-pressure(8.4-0 MPa)

4 結(jié) 論

本文通過計算分析與試驗分析討論了常壓潛水裝具半球形觀察窗在深水壓力下，擠壓變形、蠕變的一些特性。得出以下結(jié)論：

（1）試驗與計算結(jié)果均表明，半球形觀察窗在加壓過程中（加壓時間間隔較小），變形與應力隨壓力基本呈現(xiàn)線性變化，保壓過程中隨時間推移，變形逐漸增加，且保壓初期蠕變較大，在保壓后期蠕變趨向穩(wěn)定。

（2）計算結(jié)果分析表明，接觸邊界的摩擦系數(shù)對半球形觀察窗變形與應力影響較大，變形隨摩擦系數(shù)的增加而增加。觀察窗邊界摩擦系數(shù)在滑動摩擦區(qū)間時，變形趨于徑向均勻收縮，在進入粘連摩擦區(qū)間后，變形趨于徑向不均勻收縮，觀察窗頂部變形最大，接觸邊界處變形最小?；瑒幽Σ羺^(qū)間，摩擦系數(shù)越低應力越低，粘連摩擦區(qū)間，摩擦系數(shù)對應力變化影響不大。

（3）試驗結(jié)果表明在考慮蠕變情況下，設計的半球形觀察窗密封性能與耐壓強度經(jīng)受住1.4倍工作壓力（8.4 MPa）的壓力筒試驗考核，說明該半球形觀察窗設計是可行的。

[1]劉道啟,胡 勇,等.載人深潛器觀察窗的力學性能[J].船舶力學,2010,14(7):782-788. Liu Daoqi,Hu Yong,et al.Mechanics analysis on deep-sea Human Occupied Vehicle’s view-port windows[J].Journal of Ships Mechanics,2010,14(7):782-788.

[2]中國船級社.潛水系統(tǒng)和潛水器入級與建造規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,1996.

[3]田常錄,胡 勇,等.深海耐壓結(jié)構(gòu)觀察窗蠕變變形分析[J].船舶力學,2010,14(5):526-532. Tian Changlu,Hu Yong,et al.Creep analysis on deep-sea structure’s viewport windows[J].Journal of Ship Mechanics, 2010,14(5):526-532.

[4]張志林.飛機座艙透明件設計理論及應用[D].南京:南京航空航天大學,2005.

Creep analysis for the hemispheric window of atmospheric diving suit

YANG Qing-song1,HU Yong2,HOU De-yong1,LIU Zhi-he3
(1 China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China;2 Shanghai Ocean University,Shanghai 201306, China;3 Navy Hydrographic Surveying and Charting Research Institute,Tianjin 300060,China)

Hemispheric window is the important equipment of Atmospheric Diving Suit,when combined with compression resistance body shell,it can provide atmospheric space for diver and sufficient observe field.In this paper,the compression deformation and creep were analyzed by calculation and test,and the result was used for the design of hemispheroid window.The paper can be used as reference for such type of window design.

Atmospheric Diving Suit;hemispheric window;creep

U661.43

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2015.10.011

1007-7294（2015）10-1261-06

2015-01-22

國家科技重大專項經(jīng)費資助“深水水下應急維修裝備與技術(shù)”（2011ZX05027-005）

楊青松（1984-），男，碩士，工程師；胡 勇（1975-），男，博士，研究員；