深海視頻采集系統(tǒng)保護(hù)窗口的設(shè)計(jì)和優(yōu)化

馬俊林 杜杰 劉英

摘要：保護(hù)窗口是深海視頻采集系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。為提高深海視頻采集系統(tǒng)的整體性能，保障深海資源的勘探和開(kāi)發(fā)利用，文章通過(guò)力學(xué)分析、理論對(duì)比和打壓試驗(yàn)等過(guò)程，對(duì)保護(hù)窗口進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。研究結(jié)果表明：球扇形窗口更適合全海深均勻高壓環(huán)境;與主流窗口材料藍(lán)寶石相比，我國(guó)自主研制的YAG透明陶瓷在性能和成本上具有優(yōu)勢(shì);以第四強(qiáng)度理論作為充分準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，以第一和第二強(qiáng)度理論作為必要條件進(jìn)行校驗(yàn)，結(jié)合有限元力學(xué)分析結(jié)果，外徑為96 mm的半球形保護(hù)窗口的最優(yōu)內(nèi)徑為76 mm;對(duì)采用該內(nèi)徑尺寸透明陶瓷保護(hù)窗口的深海視頻采集系統(tǒng)進(jìn)行全海深壓強(qiáng)水下打壓試驗(yàn)，有力證實(shí)相關(guān)理論和設(shè)計(jì)思想的合理性和可靠性。

關(guān)鍵詞：全海深;保護(hù)窗口;強(qiáng)度理論;透明陶瓷;有限元力學(xué)分析

中圖分類號(hào)：P715.5+3;P742文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1005-9857（2019）02-0060-05

Design and Optimization of Protecting Window for Deep Sea Video Capture System

MA Junlin，DU Jie，LIU Ying

（Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics，and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）

Abstract： Protecting window is the key component of deep sea video capture system.In order to improve overall performance of deep sea video capture system and to support exploration and development of deep sea resource，this paper presented the design and optimization of protecting window by mechanical analysis，theory comparison and pressure testing.The research results indicated that the spherical window was preferable for a homogeneous highpressure situation at the whole ocean depth and the YAG transparent ceramic material which was researched and developed by our own，which is more feasible and more favorable for the protecting window comparing to sapphire.In view of the four failure criteria，the fourth strength theory was selected as the sufficient criteria for the window design，and the first and the second strength theory were selected for the calibration.With the finite element analysis result，for hemisphere protecting window with 96 mm external diameter，the optimal solution inner diameter is 76 mm.The under water pressure testing at the full ocean depth for the imaging systems was further performed with the protecting window of 96 mm external diameter and 76 mm inner diameter，which verified the rationality and reliability of related theory and design philosophy.

Key words：Whole ocean depth，Protecting window，Strength theory，Transparent ceramic，F(xiàn)inite element analysis

0引言

隨著陸地資源的衰退，世界各國(guó)都將目光聚焦深海資源，而深海資源的勘探和開(kāi)發(fā)利用須以深海裝備的研發(fā)為基礎(chǔ)[1-3]。保護(hù)窗口是深海視頻采集系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，其與機(jī)械外殼共同組成深海視頻采集系統(tǒng)的屏障，承載海水壓力和保護(hù)內(nèi)部器件。同時(shí)，保護(hù)窗口為深海視頻采集系統(tǒng)的核心——內(nèi)核鏡頭攝像機(jī)提供清晰視野，相當(dāng)于“眼睛”的“眼角膜”，其形式結(jié)構(gòu)、封裝和材料直接決定整套深海視頻采集系統(tǒng)的性能，因此其設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

目前全海深保護(hù)窗口的設(shè)計(jì)存在2個(gè)問(wèn)題：①國(guó)內(nèi)外普遍采用藍(lán)寶石作為保護(hù)窗口的材料，但藍(lán)寶石具有高硬度，材料本身和加工的成本較高;②由于缺少適用的力學(xué)理論作為設(shè)計(jì)指導(dǎo)，設(shè)計(jì)保護(hù)窗口的幾何尺寸時(shí)往往依靠經(jīng)驗(yàn)和猜測(cè)，再通過(guò)水下打壓試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，這種盲目的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)往往產(chǎn)生大量報(bào)廢件，增加不必要的成本。

1保護(hù)窗口的形式和材料

按照幾何形狀，保護(hù)窗口通?？煞譃?種樣式。①平板形窗口：加工成本低，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可承受上、下2個(gè)方向的壓力;但固定面為平板面，窗口和基座的接觸面為直角，受力過(guò)于集中。②錐板形窗口：固定面為錐板面，受力集中部分較少;錐板面向下壓緊，密封性好，且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，加工成本低。③球扇形窗口：可在有限的空間內(nèi)獲得更大的視野，在同等厚度下的抗壓性能較另2種形式高很多;全海深視頻采集系統(tǒng)在工作時(shí)受海水壓力很大，須在有限的尺寸條件下具有較高的抗壓性能[4-8]（圖1）。

根據(jù)上述對(duì)比，球扇形窗口更適合全海深視頻采集系統(tǒng)的綜合要求。但其加工成本高、周期長(zhǎng)，且對(duì)材料本身的要求較高，因此要選好窗口材料、完善加工工藝和嚴(yán)控加工質(zhì)量，從而保證保護(hù)窗口的光學(xué)和機(jī)械性能。

目前國(guó)內(nèi)外主要選擇藍(lán)寶石作為保護(hù)窗口的材料，而新興材料——YAG透明陶瓷在很多方面具有優(yōu)勢(shì)[9]。由中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所自主研制的YAG透明陶瓷與藍(lán)寶石的光學(xué)性能和機(jī)械性能對(duì)比如表1和表2所示。

由表1可以看出，YAG透明陶瓷和藍(lán)寶石的光學(xué)性能幾乎一致。由表2可以看出，YAG透明陶瓷和藍(lán)寶石的斷裂韌性幾乎一致;YAG透明陶瓷的抗壓和抗彎性能不如藍(lán)寶石，但通過(guò)合理的選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其抗壓強(qiáng)度能夠滿足全海深的要求，抗彎強(qiáng)度對(duì)于主要承受壓應(yīng)力的保護(hù)窗口來(lái)說(shuō)也已足夠;YAG透明陶瓷的硬度低于藍(lán)寶石，因此加工容易，尤其對(duì)于球扇形窗口來(lái)說(shuō)，精磨和拋光等后續(xù)加工工序可很好地滿足面型要求。此外，YAG透明陶瓷的材料成本低，毛坯料生成周期短，均優(yōu)于藍(lán)寶石。

綜上所述，采用YAG透明陶瓷制作的球扇形窗口是最理想的全海深視頻采集系統(tǒng)的保護(hù)窗口。

2全海深保護(hù)窗口的受力及其強(qiáng)度分析理論

全海深視頻采集系統(tǒng)在海底作業(yè)時(shí)，保護(hù)窗口受到均勻的壓力，窗口底部與基座接觸，接觸部分為窗口提供支撐面。根據(jù)窗口的受力情況，選擇合適的強(qiáng)度分析理論指導(dǎo)窗口的設(shè)計(jì)十分必要，從而保證特定幾何參數(shù)的窗口在作業(yè)時(shí)的安全性，避免窗口被破壞。

窗口每個(gè)單元受到的應(yīng)力可分解為3個(gè)方向的主應(yīng)力，即σ1、σ2和σ3 [10-13]（圖2）。

21第一強(qiáng)度理論（最大拉應(yīng)力理論）

第一強(qiáng)度理論認(rèn)為引起材料脆性斷裂的主要因素是最大拉應(yīng)力，即不論應(yīng)力狀態(tài)如何，只要構(gòu)件內(nèi)某點(diǎn)處的最大拉應(yīng)力σ1達(dá)到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限值σb，材料就要發(fā)生脆性斷裂[14-15]。因此，按該理論建立的強(qiáng)度條件為：

σ1<σb

22第二強(qiáng)度理論（最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變理論）

第二強(qiáng)度理論認(rèn)為引起材料脆性斷裂的主要因素是最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變，即不論應(yīng)力狀態(tài)如何，只要構(gòu)件內(nèi)某點(diǎn)處的最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變?chǔ)?達(dá)到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限值εu，材料就要發(fā)生脆性斷裂[16]。其中：

23第三強(qiáng)度理論（最大切應(yīng)力理論）

第三強(qiáng)度理論認(rèn)為引起材料脆性斷裂的主要因素是最大切應(yīng)力，即不論應(yīng)力狀態(tài)如何，只要構(gòu)件內(nèi)某點(diǎn)處的最大切應(yīng)力τmax達(dá)到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限值τ0，材料就要發(fā)生脆性斷裂[17]。依軸向拉伸斜截面上的應(yīng)力公式為：

24第四強(qiáng)度理論（形狀改變比能理論）

第四強(qiáng)度理論認(rèn)為引起材料脆性斷裂的主要因素是形狀改變比能，即不論應(yīng)力狀態(tài)如何，只要構(gòu)件內(nèi)某點(diǎn)處的形狀改變比能達(dá)到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限值，材料就要發(fā)生脆性斷裂。因此，按該理論建立的強(qiáng)度條件為：

根據(jù)球扇形窗口的受力情況和幾何特征，其在海底主要承受壓應(yīng)力，同時(shí)存在拉應(yīng)力等其他三向應(yīng)力。此外，保護(hù)窗口應(yīng)變的變化直接影響深海視頻采集系統(tǒng)的成像質(zhì)量。因此，結(jié)合YAG透明陶瓷的脆性材料特點(diǎn)，本研究選取3種強(qiáng)度理論，對(duì)球扇形YAG透明陶瓷保護(hù)窗口進(jìn)行強(qiáng)度分析，即采用第四強(qiáng)度理論分析強(qiáng)度，采用第一強(qiáng)度理論輔助校核，采用第二強(qiáng)度理論校驗(yàn)光學(xué)成像指標(biāo)。

3保護(hù)窗口的最優(yōu)內(nèi)徑及其水下打壓試驗(yàn)

31窗口最優(yōu)內(nèi)徑

本研究以深海視頻采集系統(tǒng)的半球形保護(hù)窗口（外徑為96 mm）為對(duì)象，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，建模并導(dǎo)入ANSYS有限元力學(xué)分析軟件。根據(jù)上述強(qiáng)度理論，確定不同內(nèi)徑的保護(hù)窗口在全海深環(huán)境下的受力情況，從而確定其最優(yōu)內(nèi)徑，完成保護(hù)窗口的設(shè)計(jì)。

深海視頻采集系統(tǒng)保護(hù)窗口的材料為國(guó)產(chǎn)YAG透明陶瓷，機(jī)械外殼和后蓋的材料為鈦合金，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入ANSYS有限元力學(xué)分析軟件，并設(shè)置各部件的接觸關(guān)系。其中，后蓋和機(jī)械外殼的接觸為剛性（Bond），遮光罩和窗口的接觸為無(wú)摩擦（Frictionless），其余為滑動(dòng)摩擦（Frictional），摩擦系數(shù)為01。

考慮到地球海洋最深處的壓強(qiáng)為120 MPa，根據(jù)強(qiáng)度分析理論，將120 MPa的均勻壓強(qiáng)加載到系統(tǒng)的每個(gè)外部接觸面。為確定最優(yōu)內(nèi)徑，首先設(shè)置經(jīng)驗(yàn)值（內(nèi)徑70 mm）仿真，然后內(nèi)徑遞減1 mm直至窗口破裂。由于遮光罩屬于遮光器件，與整個(gè)系統(tǒng)不存在力學(xué)關(guān)系，在仿真中不予考慮。

單獨(dú)提取保護(hù)窗口的受力情況，以第四強(qiáng)度理論作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以第一強(qiáng)度理論作為校核準(zhǔn)則，將保護(hù)窗口內(nèi)徑從70～78 mm導(dǎo)入ANSYS軟件，得到最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力在不同內(nèi)徑下的模擬曲線（圖4）。

由圖4可以看出，當(dāng)保護(hù)窗口內(nèi)徑為76 mm和77 mm時(shí)，最大壓應(yīng)力分別為742 MPa和785 MPa。YAG透明陶瓷的抗壓強(qiáng)度為750 MPa，當(dāng)材料所受壓應(yīng)力大于其抗壓強(qiáng)度時(shí)就會(huì)被破壞，因此76 mm為第四強(qiáng)度理論下的最優(yōu)解。此外，各窗口內(nèi)徑的最大拉應(yīng)力都低于YAG透明陶瓷的抗彎強(qiáng)度（280 MPa），滿足第一強(qiáng)度理論的要求，這也間接說(shuō)明窗口主要受壓應(yīng)力而非拉應(yīng)力。提取內(nèi)徑為76 mm的窗口進(jìn)行有限元力學(xué)分析，其中最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在半球型窗口底部?jī)?nèi)側(cè)邊緣，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在半球型窗口底部中心帶。其他內(nèi)徑的有限元力學(xué)分析結(jié)果顯示規(guī)律相同。

窗口內(nèi)徑為70～78 mm的最大變形模擬曲線如圖5所示。

由圖5可以看出，保護(hù)窗口變形量均小于040 mm。由于根據(jù)光學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)給定的窗口最大變形量小于050 mm，窗口內(nèi)徑對(duì)其光學(xué)性能沒(méi)有影響。提取內(nèi)徑為76 mm的窗口進(jìn)行應(yīng)變分析，最大應(yīng)變出現(xiàn)在半球型窗口頂部，最大變形量為028 mm。

綜上所述，外徑為96 mm的保護(hù)窗口，其內(nèi)徑的最優(yōu)解為76 mm。

32水下打壓試驗(yàn)

根據(jù)確定的最優(yōu)內(nèi)徑，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研制YAG透明陶瓷保護(hù)窗口（圖6），并由上海恒生電訊工程有限公司完成深海視頻采集系統(tǒng)的機(jī)械加工和整機(jī)裝調(diào)（圖7）。

調(diào)裝完成的深海視頻采集系統(tǒng)在上海恒生電訊工程有限公司的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水下打壓試驗(yàn)：將整個(gè)系統(tǒng)放入注水壓力容器中打壓120 MPa，12 h后取出，系統(tǒng)的保護(hù)窗口沒(méi)有表面裂紋，與機(jī)械外殼接觸的部分也沒(méi)有崩邊。試驗(yàn)結(jié)果有力證明本研究采用的強(qiáng)度分析理論具有合理性和可靠性，即在設(shè)計(jì)全海深視頻采集系統(tǒng)保護(hù)窗口時(shí)，以第四強(qiáng)度理論作為充分準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，以第一和第二強(qiáng)度理論作為必要條件進(jìn)行校驗(yàn)。

4結(jié)語(yǔ)

深海視頻采集系統(tǒng)是深海資源勘探和開(kāi)發(fā)利用必不可少的關(guān)鍵設(shè)備，其保護(hù)窗口不僅為鏡頭等內(nèi)部核心器件提供視野，而且是整個(gè)系統(tǒng)承壓保護(hù)的重要部分，因此須同時(shí)注重其光學(xué)性能和機(jī)械性能。根據(jù)對(duì)不同形式保護(hù)窗口的受力分析，球扇形窗口更適合深海高壓環(huán)境;通過(guò)與主流藍(lán)寶石材料進(jìn)行對(duì)比，我國(guó)自主研制的YAG透明陶瓷在性能和成本上具有優(yōu)勢(shì);綜合考慮4種強(qiáng)度理論和保護(hù)窗口的特點(diǎn)，以第四強(qiáng)度理論作為充分準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，以第一和第二強(qiáng)度理論作為必要條件進(jìn)行校驗(yàn)，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行有限元力學(xué)分析，設(shè)計(jì)出外徑為96 mm、內(nèi)徑為76 mm的深海視頻采集系統(tǒng)保護(hù)窗口，并進(jìn)行水下打壓試驗(yàn)，最終證實(shí)相關(guān)理論和設(shè)計(jì)思想的合理性和可靠性。

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