曲元鑫

(大連測(cè)控技術(shù)研究所，遼寧 大連 116013)

0 引言

隨著我國對(duì)海洋聲學(xué)領(lǐng)域探索加深，水下測(cè)量?jī)x器越來越多，這些儀器屬于水下測(cè)量體。水下測(cè)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(duì)它們進(jìn)行水中受力分析是測(cè)量體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必不可少的一部分。

1 水下測(cè)量體受力分析

測(cè)量體一般都是空腔設(shè)計(jì)，空腔內(nèi)部裝有電路及測(cè)量?jī)x器，整體設(shè)計(jì)為懸浮或者坐底形式。水下測(cè)量體在水中所承受的力主要有水介質(zhì)對(duì)測(cè)量體產(chǎn)生的浮力、測(cè)量體自身的重力以及水流運(yùn)動(dòng)對(duì)測(cè)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(cè)量體在水中會(huì)受到水流運(yùn)動(dòng)的沖擊，沖擊力迫使測(cè)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(duì)整個(gè)測(cè)量體的周圍產(chǎn)生影響，使測(cè)量體變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致測(cè)量體內(nèi)部漏水，系統(tǒng)損毀。

聲特性測(cè)量的時(shí)候，由于水聽器指向性不同，要求測(cè)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(cè)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(duì)自身產(chǎn)生的影響。

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

2 典型形狀測(cè)量體設(shè)計(jì)及受力分析

在水下，對(duì)測(cè)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(cè)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(cè)量體表面與流體發(fā)生接觸時(shí)，由于流體的粘性，緊挨測(cè)量體表面的一層流體粘附在測(cè)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(duì)測(cè)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(cè)定阻力系所采用物體的特征面積;V為物體與流體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，1 kn=0.5 m/s。

表1提供了大多數(shù)水下測(cè)量體能出現(xiàn)的形狀，不同形狀的測(cè)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(duì)測(cè)量體的沖擊力。

2.2 水壓力

由于測(cè)量體內(nèi)部往往設(shè)計(jì)成空腔，測(cè)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(cè)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(cè)量體失效［2］。

各行各業(yè)在生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)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(cè)量體產(chǎn)生漏水、破壞的情況。軸向失穩(wěn)直接會(huì)破壞測(cè)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(cè)量體的時(shí)候，需要根據(jù)測(cè)量體的工作深度，計(jì)算其所受的壓力情況。依據(jù)測(cè)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(cè)量體能承受工作壓力，穩(wěn)定工作。

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

2.2.1 長(zhǎng)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(duì)厚度δe/D0有關(guān)，同時(shí)也隨圓筒的相對(duì)長(zhǎng)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(zhǎng)度，依靠增加加強(qiáng)圈的方法，可以縮短計(jì)算長(zhǎng)度，增加圓筒耐壓強(qiáng)度。

2.2.3 剛性圓筒

對(duì)于剛性圓筒，一般它的厚徑比Se/D0大，而長(zhǎng)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(cè)量體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)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(cè)量體保持水中姿態(tài)。不銹鋼材料常用于大深度測(cè)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(duì)不銹鋼小，常用于加工需求相對(duì)簡(jiǎn)單的測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)量體或者作為測(cè)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(duì)水壓力影響，使用局部加固技術(shù)可以減少測(cè)量體的厚度，降低測(cè)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(cè)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(duì)圓柱形測(cè)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(zhǎng)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(cè)量體懸浮在水中的時(shí)候，由于水流沖擊力作用，測(cè)量體會(huì)發(fā)生傾斜，無法滿足設(shè)計(jì)姿態(tài)，導(dǎo)致測(cè)量?jī)x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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量體傾斜一定角度后，形成穩(wěn)定姿態(tài)(見圖2)。

圖2 測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量體密封性能帶來致命的威脅。測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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.