羅 珊，王緯波

(1.中國船舶科學(xué)研究中心 船舶振動噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214082；2.常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164)

0 引 言

在我國 “十三五” 規(guī)劃中，海洋開發(fā)已成為前沿技術(shù)研發(fā)布局的重點(diǎn)領(lǐng)域。潛水器作為海洋觀測與作業(yè)的重要技術(shù)裝備，是探查深海資源、開展深?？茖W(xué)研究、進(jìn)行深海工程作業(yè)的重要一環(huán)。耐壓殼是潛水器的核心結(jié)構(gòu)部件， 其重量占潛水器總重的1/4～1/2，是潛水器浮力的主要提供者[1]。耐壓殼主要承受深水壓力，需要足夠的強(qiáng)度和可靠的密封性，為內(nèi)部的儀器設(shè)備、電子元器件裝置等提供正常運(yùn)作的環(huán)境，保護(hù)它們不會因海水壓力和腐蝕而受到損害[2]，在載人潛水器中，耐壓艙為工作人員提供生活環(huán)境與工作空間，確保艙內(nèi)人員設(shè)備的安全性，耐壓殼體結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性至關(guān)重要。

耐壓殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造是潛水器的關(guān)鍵技術(shù)，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性是需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。本文結(jié)合國內(nèi)外潛水器的發(fā)展概況，介紹潛水器耐壓殼的結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)，材料選用以及設(shè)計(jì)計(jì)算方法的研究現(xiàn)狀，展望未來的研究和技術(shù)應(yīng)用方向。

1 國內(nèi)外潛水器發(fā)展現(xiàn)狀概述

潛水器主要分為載人潛水器（HOV）和無人潛水器（UUV）兩大類。

1.1 國內(nèi)外載人潛水器概況

作業(yè)型載人潛水器是由人員駕駛操作的，具備水下觀察和作業(yè)能力的潛水裝備。作業(yè)型載人潛水器工作于水深1 000 m 以下，可以執(zhí)行海底地質(zhì)勘探、海底開發(fā)和打撈、海洋生物標(biāo)本采集等多種復(fù)雜科學(xué)任務(wù)。大深度作業(yè)型載人潛水器技術(shù)是海洋開發(fā)和海洋技術(shù)發(fā)展的最前沿和制高點(diǎn)之一，目前，僅中國、美國、法國、俄羅斯、日本具備該領(lǐng)域自主研發(fā)的能力，表1 為各國在役的大深度作業(yè)型載人潛水器的對比情況[3]。

表 1 各國在役的大深度作業(yè)型載人潛水器對比Tab.1 Comparison between manned deep submersible of every countries

觀光型載人潛水器在海洋旅游中得到了廣泛應(yīng)用。小型觀光潛水器通常用于科學(xué)考察和探險(xiǎn)，如美國Triton 深潛公司的Triton 系列、SEAmagine Hydrospace 公司開發(fā)的Ocean Pear 和Triumph 兩個(gè)型號產(chǎn)品、Ocean Gate 公司的Cyclops1 和Cyclops 2 潛水器、荷蘭U-Boat Worx 公司的C-Quester 和C-Explorer 兩大系列產(chǎn)品等[4-5]，這類潛水器具有工作深度大、乘員數(shù)量少（通常為1～5 名）的特點(diǎn)。大型觀光潛水器主要用于攜帶普通乘客觀光旅游，工作深度一般小于100 m。1985 年，世界上第1 臺大型觀光潛水器美國的28 客位的觀光潛水器AtlantisⅠ投入使用，現(xiàn)在的AtlantisⅤ已升級至64 客位，最大潛深38 m[6]；芬蘭、加拿大、韓國、西班牙、俄羅斯也建造了大型觀光潛水器，我國于2015 年由中船重工七〇二所研制成功世界最大全通透載客潛水器—“寰島蛟龍”，最大下潛深度40 m，可搭載12 名乘員。

1.2 國內(nèi)外無人潛水器概況

無人潛水器分為遙控?zé)o人潛水器（ROV）、自治式無人潛水器（AUV）以及水下滑翔機(jī)（UG）。

ROV 由人員在母船上通過主纜和系纜對潛水器進(jìn)行操作，在海洋研究、近海油氣開發(fā)、礦物資源調(diào)查取樣、打撈和軍事等方面都有廣泛的應(yīng)用。1960 年，美國研制成功世界上第1 臺ROV-CURV1，曾與載人潛水器ALVIN 號協(xié)同打撈起西班牙外海856 m 水深的1 顆氫彈；1995 年，日本海洋技術(shù)研究所研制的 “海溝” 號ROV（KAIKO），下潛到了馬里亞納海溝的最深處（11 022 m），創(chuàng)造了世界紀(jì)錄[7]。目前，在ROV 技術(shù)研究方面，美國、加拿大、英國、法國、德國、意大利、俄羅斯、日本等國處于領(lǐng)先地位[8]。我國從20 世紀(jì)70 年代末起，先后研制成觀察型、作業(yè)型、大深度拖曳型ROV，2004 年，由上海交通大學(xué)水下工程研究所研制成功“ 海龍” 號ROV， 2018 年11 月 “海龍11000” 完成了6 000 米級試驗(yàn)，最大潛深5 630 m，創(chuàng)造了國產(chǎn)ROV 最大潛深。

AUV 無人無纜，自主作業(yè)范圍廣、機(jī)動性強(qiáng)、是發(fā)達(dá)國家海軍和海洋技術(shù)研究發(fā)展的熱點(diǎn)之一。美國擁有眾多的AUV 研究機(jī)構(gòu)， 如WHOI， MBARI，MIT 等，應(yīng)用在軍事上的AUV 數(shù)量在不斷增多[9]，歐洲各國、俄羅斯、加拿大、日本、韓國等也在AUV 的研究方面取得巨大成就[10]。2011—2018 年，我國自主研發(fā)了 “潛龍” 系列1～3 號作業(yè)型AUV，其中 “潛龍3 號” 創(chuàng)造了深海AUV 單潛次航程最遠(yuǎn)的深海航行紀(jì)錄，并首次實(shí)現(xiàn)AUV 與船載地質(zhì)取樣同時(shí)作業(yè)的新模式。

UG 是一種新型AUV，它依靠浮力調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)升沉，借助滑翔翼姿態(tài)角調(diào)整獲得推進(jìn)力來實(shí)現(xiàn)水中長距離滑翔。國外UG 技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用主要集中于美國、法國、英國和澳大利亞等海洋強(qiáng)國，美國曾于20 世紀(jì)90 年代開發(fā)成功第1 代水下滑翔機(jī)Spray Glider，Slocum，SeaGlider，日本和法國也都相繼研制出了名為ALBAC 和STERNE 的水下滑翔機(jī)[11]。我國UG 的研究始于本世紀(jì)初，2017 年3 月，由中科院沈陽自動化研究所自主研發(fā)的 “海翼” 號水下滑翔機(jī)，在馬里亞納海溝完成了6 329 m 大深度下潛觀測任務(wù)；2018 年4 月，由天津大學(xué)自主研發(fā)的采用最新混合推進(jìn)技術(shù)的水下滑翔機(jī)—“海燕” 號，創(chuàng)造了8 213 m 的潛深世界紀(jì)錄，刷新了國產(chǎn)水下滑翔機(jī)連續(xù)工作時(shí)間最長、測量坡面最多，續(xù)航里程最遠(yuǎn)等紀(jì)錄。

2 潛水器耐壓殼的結(jié)構(gòu)形式和應(yīng)用

潛水器耐壓殼的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求的前提下，在減少殼體重量的同時(shí)增大內(nèi)部容積，耐壓殼的重量-排水量比越小，潛水器能提供的有效載荷越大，決定重排比的主要因素是結(jié)構(gòu)的形式和材料。

2.1 常規(guī)耐壓殼結(jié)構(gòu)形式

耐壓殼常規(guī)的結(jié)構(gòu)形式包括球形、圓柱形、橢球形、錐形、倒楔形以及它們的組合形狀等。

在容積相等的條件下，球殼可獲得最小的重排比值；球殼受載時(shí)內(nèi)力分布均勻，薄膜應(yīng)力只有圓柱殼結(jié)構(gòu)的一半，下潛深度越大，優(yōu)勢越明顯。大深度載人潛水器，由于艙室空間要求、材料限制、安全性、深水壓力等因素，球形耐壓殼是最佳選擇，現(xiàn)有的大深度作業(yè)形載人潛水器（見表1），均采用球形耐壓殼結(jié)構(gòu)，球殼直徑范圍2～2.1 m，可容納3 人。在用于科學(xué)考察和探險(xiǎn)的小型載人潛水器中，也多采用球形耐壓殼結(jié)構(gòu)，如美國的Triton 系列潛水艇，荷蘭的c-explorer3 探索式潛水艇等都采用了球形載人艙。美國的Deep Flight Dragon 具有2 個(gè)球形載人艙（見圖1），可下潛到120 m。

圖 1 小型載人潛水器的球形耐壓殼Fig.1 Spherical pressure hull in small manned submersibles

在潛深較小時(shí)，球殼需要增大厚度來提高穩(wěn)定性，導(dǎo)致重排比變大，故對于潛深小于800 m 的潛水器耐壓殼，大多采用帶封頭的圓柱形耐壓殼[12]，圓柱殼易加工制造，內(nèi)部空間利用率高，可與半球形、橢球形、圓錐形組合成耐壓殼結(jié)構(gòu)。大型觀光潛水器多采用圓柱形耐壓殼，載人艙通常由圓柱形殼體和半球封頭組成，內(nèi)徑在1.8～2.6 m 之間，如我國的 “寰島蛟龍” 載客型潛水器、Atlantis 觀光潛水器、MarkII 觀光潛水器[6]（見圖2）。一些小型私人潛水器中也有球柱組合結(jié)構(gòu)耐壓殼，Aurora-5 潛艇，C-Explorer5 的載人艙均采用了圓柱殼和球殼組合的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)比單球形載人艙可載人數(shù)更多（見圖3）。

無人潛水器的耐壓艙主要用來放置計(jì)算機(jī)、電子元器件和電池組等重要裝備，環(huán)形肋骨加強(qiáng)的耐壓圓柱殼有著內(nèi)部艙室布置便利、加工簡單、水中運(yùn)動阻力小等特點(diǎn)，在現(xiàn)有的UUV 以及水下滑翔機(jī)UG 中應(yīng)用廣泛。 耐壓殼的形狀需要考慮潛水器的外形，AUV 的外形大多設(shè)計(jì)成類似于魚雷的回轉(zhuǎn)體，其耐壓殼形狀主要為帶半球形封蓋的圓柱體。ROV 分為流線型殼體和開架式殼體（見圖4），大多數(shù)ROV 的耐壓殼形狀為球殼或球殼和圓柱殼的組合結(jié)構(gòu)。UG 的艇體外形主要有2 種：帶平行中體的水滴形和低阻層流形（見圖5）。水滴形UG 的耐壓殼為組合形式，如頭部橢圓形封頭，中間段圓筒結(jié)構(gòu)，尾部圓筒加球形封頭，低阻層流形UG 如美國的Seaglider 滑翔機(jī)器人，其耐壓殼體采用波紋管式套筒結(jié)構(gòu)[13]。

圖 2 大型觀光潛水器的球柱組合型耐壓殼Fig.2 Spherical-cylindrical combined pressure hull in large tourist submersibles

圖 3 小型私人潛水器的球柱組合耐壓殼Fig.3 Spherical-cylindrical combined pressure hull in small private submersibles

2.2 新型耐壓殼結(jié)構(gòu)形狀

隨著殼體設(shè)計(jì)方法的完善和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在傳統(tǒng)球柱錐組合型潛水器耐壓殼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了新型耐壓殼結(jié)構(gòu)形式。

圖 4 ROV 殼體結(jié)構(gòu)Fig.4 Shell structure of ROV

圖 5 UG 殼體結(jié)構(gòu)Fig.5 Shell structure of UG

結(jié)合球殼的最佳重排比與圓柱殼較高空間利用率的優(yōu)點(diǎn)，提出了藕節(jié)形耐壓殼結(jié)構(gòu)形式[14-15]。這種耐壓殼由一系列球殼交接而成，交接球殼的個(gè)數(shù)可以分為雙球型、三球型、四球型以至多球型，球殼之間的連接方式是該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)之一，目前有環(huán)向加強(qiáng)肋連接、切弧連接等幾種設(shè)計(jì)方案[16-20]。藕節(jié)形耐壓殼結(jié)構(gòu)在載人潛水器和無人水下航行器中均可應(yīng)用，2016 年SH 公司發(fā)布的私人潛水艇AURORA-6，即采用藕節(jié)形結(jié)構(gòu)，載人艙共分4 節(jié)（見圖6），可載6 人。

基于仿生學(xué)原理，以鵝蛋殼為原型，提出[21-22]蛋形及多蛋交接形耐壓殼。研究表明，蛋形耐壓殼水動力學(xué)特性較好，兩端所受應(yīng)力較低，便于開孔、開窗，具有良好的綜合性能。多蛋交接形耐壓殼包括若干個(gè)蛋形仿生殼，相鄰蛋形殼的鈍端和尖端通過環(huán)形肋骨順次連接，可進(jìn)一步擴(kuò)大艙室空間，提高人機(jī)環(huán)特性，同時(shí)也便于分段制造[23-26]。目前蛋形耐壓殼還處于概念設(shè)計(jì)性階段，尚未有應(yīng)用實(shí)例。

圖 6 AURORA-6 潛艇Fig.6 AURORA-6 submarine

3 潛水器耐壓殼材料的應(yīng)用

海洋的特殊環(huán)境對潛水器的耐壓殼材料提出了特殊要求，耐壓殼應(yīng)采用高比強(qiáng)度、耐腐蝕、耐疲勞、物理性能穩(wěn)定、成型工藝好的高性能材料。潛水器耐壓殼材料一般分為金屬和非金屬兩大類，金屬材料主要有各種鋼材料、鋁合金、鈦合金等，非金屬材料主要有結(jié)構(gòu)陶瓷、復(fù)合材料、有機(jī)玻璃等。

3.1 金屬材料在潛艇和深潛器上的應(yīng)用

鋼具有較高的比強(qiáng)度，良好的造船工藝性，在制造耐壓容器和潛艇耐壓殼方面，實(shí)用經(jīng)驗(yàn)豐富，現(xiàn)階段仍是潛水器耐壓殼的主要材料。高強(qiáng)度合金鋼具有高屈服強(qiáng)度、高韌性和高抗爆性、良好的焊接性、良好的耐海水腐蝕性能和抗低周疲勞等性能，常用于潛艇耐壓殼。潛水器耐壓殼體與潛艇相比較，結(jié)構(gòu)較簡單、所用材料量較少，目前各國潛水器中，以中等強(qiáng)度鋼到超高強(qiáng)度鋼作為潛水器耐壓殼體材料的占絕大多數(shù)，美、法、日等國曾用鋼材建造了不少潛水器，且這些國家的潛艇耐壓殼體用鋼與潛水器耐壓殼體用鋼一致。如美國潛艇用HY-80 型、HY-100 型和HY-130 型鋼，日本的NS30，NS46 和NS90 鋼均作為深潛器耐壓殼體材料。美海軍用Hy-l30 鋼建造深海救援艇DSRV-I 號，DSRV- Ⅱ號和核動力深潛器NR-l 號，其先進(jìn)蛙人輸送系統(tǒng)（ ASDS） 前2 艘艇ASDS Ⅰ和ASDS Ⅱ的耐壓殼材料使用的是Hy-80 鋼；日本的NS-90 鋼則用于潛深達(dá)2 000 m 的深海調(diào)查船[27]。

鋁合金作為一種高比強(qiáng)度的材料，可以用來制造大深度潛水器耐壓殼，但其成本造價(jià)遠(yuǎn)高于鋼質(zhì)殼體，且高強(qiáng)度鋁合金焊接性能差，大大限制了其應(yīng)用，美國在20 世紀(jì)60 年代建造的2 000 米級 “海鰻” 號潛水器和4 500 米級 “阿盧米諾特” 號潛水器的耐壓殼使用了高強(qiáng)度鋁合金材料[28]。在中小型水下無人潛水器方面，耐壓殼采用高強(qiáng)度鋁合金材料較為廣泛，如美國水下滑翔機(jī)Spray Glider，Seaglider 和Slocum，天津大學(xué)水下滑翔機(jī)PETREL 和沈陽自動化研究所研制的滑翔機(jī)耐壓殼體也采用了鋁合金材料[29]。

鈦合金的強(qiáng)度高于鋼鐵，重量卻只有同體積鋼鐵的一半，斷裂韌性優(yōu)于鋼和鋁，具有良好的機(jī)械性能，材料性能穩(wěn)定，在海水中抗腐蝕性能極好，無磁性、耐高溫。使用鈦合金耐壓殼的潛艇，潛深是鋼鐵耐壓殼潛艇的2～3 倍，且可以大大提高隱蔽性能，進(jìn)一步提高艇的水下航速，延長潛艇的使用壽命。俄羅斯是世界上第1 個(gè)用鈦合金建造潛艇耐壓殼的國家，先后制造了4 級鈦合金做耐壓殼的潛艇。鈦合金比強(qiáng)度高，能夠承受大深度水壓，非常適合用于建造潛深3 000 m 以上的載人潛水器球殼，各國的潛水器用材都經(jīng)歷了從高強(qiáng)度鋼到鈦合金的發(fā)展過程[30]。目前世界上現(xiàn)役的工作型大深度載人潛水器， 除俄羅斯的MIRⅠ&Ⅱ的耐壓殼采用馬氏體鎳鋼外，其余各國的耐壓殼均采用鈦合金材料，其中最常用的是Ti-6AL-4VELI 和Ti-6AI-2Nb-lTa-0.8Mo 鈦合金。

3.2 非金屬材料在潛水器上的應(yīng)用

隨著材料研究的進(jìn)步與制造技術(shù)難點(diǎn)的攻克，新型材料在潛水器耐壓殼上得到了應(yīng)用。

結(jié)構(gòu)陶瓷具有高強(qiáng)度、高韌性、高硬度、耐高溫、耐磨損、化學(xué)穩(wěn)定性好等特性，近幾年來已逐步開始研究并應(yīng)用為水下耐壓材料的基材。最為典型的應(yīng)用是美國 “海神” 號HROV 深海運(yùn)載器，耐壓殼體選用氧化鋁陶瓷作為主要基材，于2009 年5 月下潛至馬里亞納海溝10 902 m 的海底，證實(shí)了其滿足力學(xué)強(qiáng)度要求[31]。2018 年10 月，我國海斗深淵考察隊(duì)在萬米深淵綜合科考任務(wù)中，對全海深陶瓷耐壓艙內(nèi)的高清攝像系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，最大工作水深10 910 m，實(shí)現(xiàn)了國際上將陶瓷材料作為攝像機(jī)耐壓艙體的最大工作水深。

先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料是指用碳纖維、陶瓷纖維、芳綸纖維等增強(qiáng)的聚合物復(fù)合材料，它的比強(qiáng)度可達(dá)鋼和鋁的6 倍，而比模量則超過鋼和鋁的3 倍，更具備材料可設(shè)計(jì)性的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)減重效果顯著，國外論證研究和模型試驗(yàn)都表明，復(fù)合材料建造潛艇耐壓殼比鋼殼下潛深度提高了3～4 倍[32]。美國海軍1996 年用石墨纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂材料成功地制造出無人深潛器AUSSMOD2 的耐壓殼體，該艇的下潛深度為6 096 m，耐壓殼筒體由纏繞成型工藝制作。華盛頓大學(xué)研制出的用于監(jiān)測深海環(huán)境的大深度UG—Deep Glider 號，采用碳纖維復(fù)合材料耐壓殼體，實(shí)現(xiàn)了工作深度近6 000 m 的實(shí)際應(yīng)用。2006 年，英國BAE 系統(tǒng)公司下水了新型Talisman 多功能自主式無人水下航行器，該航行器由碳纖維復(fù)合材料制成殼體，內(nèi)部裝有包含電子系統(tǒng)和有效載荷的碳纖維復(fù)合材料耐壓殼。2015 年3 月，美國Ocean Gate 公司公布全新的載人潛水器Cyclops1，它采用一種厚實(shí)的碳復(fù)合材料外殼，極大提高了載人艙的舒適度和耐久度，并且具有很高的可靠性，顯著輕于其他水下載人潛水器。復(fù)合材料外殼制造過程采用自動鋪絲技術(shù)（AFP），使船體能夠承受更高的壓縮載荷。2017 年，Ocean Gate 啟動Cyclops 2研制，它的外殼主要由碳纖維和鈦制成，可載5 人，潛深4 000 m。我國在2015 年由中國海洋大學(xué)研制成功輕型高分子復(fù)合材料深海耐壓艙—“海大一號” 與 “海大二號”，達(dá)到了國外同類耐壓艙的水平，可作為通用耐壓容器用于ROV、AUV、水下滑翔機(jī)等多種海洋觀測平臺。2016 年，“海翼”-7000 水下滑翔機(jī)，實(shí)現(xiàn)了基于碳纖維復(fù)合材料的大深度耐壓結(jié)構(gòu)的核心技術(shù)突破。

有機(jī)玻璃（透明丙烯酸樹脂）材料具有密度小、機(jī)械強(qiáng)度高、易于加工等優(yōu)勢，極高的透明度可以給觀察員提供優(yōu)越的水下視野，在觀光和探險(xiǎn)型潛水器上，大多使用全透明有機(jī)玻璃載人艙。我國的 “寰島蛟龍” 號觀光潛水器，即采用了1 段球形有機(jī)玻璃和和3 段圓柱形有機(jī)玻璃作為載人艙。日本計(jì)劃未來新一代 “深海12000” 載人潛水器的載人球殼采用強(qiáng)化玻璃制造，可以極大提升海底作業(yè)的視景作業(yè)效率。

4 潛水器耐壓殼的設(shè)計(jì)計(jì)算

潛水器耐壓殼的設(shè)計(jì)主要是其強(qiáng)度和穩(wěn)定性的計(jì)算問題，一般的設(shè)計(jì)方法主要有理論公式設(shè)計(jì)、基于規(guī)范的設(shè)計(jì)方法和基于有限元方法的直接設(shè)計(jì)方法，本節(jié)介紹各種結(jié)構(gòu)形式的潛水器耐壓殼的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

4.1 圓柱耐壓殼設(shè)計(jì)計(jì)算方法概述[33-35]

環(huán)肋圓柱殼是潛水器耐壓殼結(jié)構(gòu)的基本形式，對均勻外壓作用下的環(huán)肋加強(qiáng)圓柱耐壓殼，可以簡化為兩端剛性固定在彈性支座上的復(fù)雜彎曲彈性基礎(chǔ)梁來研究。

表征環(huán)肋圓柱形耐壓殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的特征量主要有：相鄰肋骨跨中殼板應(yīng)力、肋骨根部殼板應(yīng)力、肋骨應(yīng)力，文獻(xiàn)[34] 對各國規(guī)范中圓柱耐壓殼的設(shè)計(jì)計(jì)算方法行了研究比較，將表征強(qiáng)度的3 個(gè)量的表達(dá)式歸納如下：

式中：pj為計(jì)算壓力；K1，K2，Kl的表達(dá)式及確定方法見參考文獻(xiàn)[34]。

在均勻外壓力的作用下，環(huán)肋耐壓殼體的失穩(wěn)方式一般有肋間殼板失穩(wěn)和總體失穩(wěn)2 種方式，表征圓柱形耐壓殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)性的特征量有肋間殼板失穩(wěn)壓力、柱殼總體失穩(wěn)壓力。

1）局部失穩(wěn)計(jì)算方法

肋間殼板彈性理論臨界失穩(wěn)壓力計(jì)算基于Mises公式：

CCS 規(guī)范中將上式簡化，得到PE的表達(dá)式為：

對理論臨界壓力PE進(jìn)行折減得到肋間殼板實(shí)際臨界壓力Pcr的表達(dá)式為：

式中：Cs根據(jù)參數(shù) σe/ReH查文獻(xiàn)[36] 曲線確定，其中σe= PER/t ， ReH為材料屈服極限。

2）總體失穩(wěn)計(jì)算方法

其中：I 為肋骨的截面慣性距；l 為肋骨間距。

式中：Cs由參數(shù) σe/ReH查文獻(xiàn)[36] 曲線確定，其中

4.2 球形耐壓殼設(shè)計(jì)計(jì)算方法概述

4.2.1 球形耐壓殼的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

1）薄球殼理論

球殼承受均勻外壓時(shí)，保持球形狀態(tài)均勻壓縮變形，產(chǎn)生的面內(nèi)壓應(yīng)力為：

2）CCS 規(guī)范中球殼強(qiáng)度設(shè)計(jì)

球殼體殼板應(yīng)力按下式計(jì)算：

4.2.2 球形耐壓殼的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)與校核

1）理論公式和錢學(xué)森公式

薄球殼在均勻外壓下屈曲的理論公式是1915 年R.Zoelly[36]用小變形假設(shè)導(dǎo)出的，經(jīng)典解的表達(dá)式如下：

根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的受壓球殼失穩(wěn)壓力遠(yuǎn)小于上式的計(jì)算值，且失穩(wěn)破壞是突然發(fā)生，對于大深度潛水器耐壓球殼，上述理論臨界值將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際破壞壓力。

1939 年，Karman 和錢學(xué)森[37]指出球殼的受壓變形是一種大撓度非線性變形，該理論得到的受壓球殼最小屈曲載荷可歸納為簡化公式：

錢學(xué)森理論的結(jié)果與E.E.Sechler 和W.Bollay 的半徑18in 薄銅半球殼實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

2）CCS 規(guī)范整球殼體屈曲計(jì)算

CCS 規(guī)范潛水器規(guī)范整球屈曲壓力按下式計(jì)算

3）2013 版CCS 規(guī)范中承受外壓的鈦合金耐壓殼體的極限承載壓力計(jì)算

2013 版CCS 規(guī)范中 “第16 章潛深大于500 m 的潛水器的補(bǔ)充規(guī)定”，給出了初步設(shè)計(jì)階段，承受外壓的鈦合金耐壓球殼的極限承載壓力的計(jì)算公式：

式中：Rm為材料抗拉強(qiáng)度；k 為制造偏差修正系數(shù)，按下式計(jì)算：

其中： x =346.74×(?/Ri?0.0055);y=57.7×(t/Ri? 0.0525)；Δ 為球殼制造最大允許偏差；Ri為球殼內(nèi)半徑。

4.3 新型耐壓殼設(shè)計(jì)計(jì)算方法概述

對于各種新型的耐壓殼結(jié)構(gòu)，至今還沒有成熟的理論計(jì)算方法，學(xué)者們根據(jù)自己的研究成果建立相應(yīng)的模型，得到了一些結(jié)論，提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

4.3.1 藕節(jié)形耐壓殼設(shè)計(jì)計(jì)算方法

文獻(xiàn)[16] 研究了交接處采用環(huán)肋加強(qiáng)的藕節(jié)形耐壓殼（見圖7）的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

圖 7 環(huán)肋加強(qiáng)的藕節(jié)形耐壓殼局部截面圖Fig.7 Local of ring stiffened corrugated hull wall construction.

該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算基于薄殼理論，計(jì)算公式同球殼強(qiáng)度式（7），穩(wěn)定性分析近似圓柱殼理論公式，局部穩(wěn)定的臨界壓力公式如下：

式中：α 為切弧角。

整體穩(wěn)定的臨界壓力公式如下：

式中：Reff= R/2(1?sina); Ls= 2Rcosa; m = πReff/L；I 為截面轉(zhuǎn)動慣量；nm為屈曲模態(tài)值，取1～10。

文獻(xiàn)[19] 提出了三藕節(jié)切弧連接耐壓殼體（見圖8）結(jié)構(gòu)形式，采用有限元方法，在考慮幾何、材料非線性和初始缺陷的條件下，參考球殼和圓柱殼的穩(wěn)定性公式，給出三藕節(jié)切弧連接耐壓殼體強(qiáng)度公式和穩(wěn)定性公式。

圖 8 三藕節(jié)切弧連接耐壓殼體Fig.8 Three intersecting spheres tangent arc connective pressure hull

線性材料的三藕節(jié)切弧連接耐壓殼體強(qiáng)度計(jì)算式如下：

式中：tR為厚度半徑比t/R；LR為球殼間距半徑比L/R；a，b 參數(shù)的取值見參考文獻(xiàn)[19]。

線性材料的三藕節(jié)切弧連接耐壓殼體穩(wěn)定性計(jì)算式如下：

式中：fR為缺陷幅值與半徑比；a，b 參數(shù)的取值見參考文獻(xiàn)[19]。

4.3.2 蛋形耐壓殼設(shè)計(jì)計(jì)算方法

文獻(xiàn)[39] 研究了蛋形耐壓殼設(shè)計(jì)計(jì)算方法，建立了蛋形耐壓殼母線方程及解析法力學(xué)模型，得到了該結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度載荷、屈曲臨界載荷的公式。

由薄殼理論確定蛋形耐壓殼的徑向應(yīng)力 σφ(x)，緯向應(yīng)力 σθ(x)計(jì)算如下式：

式中： R1(x) 為第一曲率半徑； R2(x)為第二曲率半徑，計(jì)算公式如下：

蛋形耐壓殼的屈曲臨界載荷公式如下：

5 展 望

伴隨著海洋裝備的不斷升級，未來的潛水器耐壓殼結(jié)構(gòu)可以從以下幾個(gè)方面深化研究與應(yīng)用：

1）海斗深淵科學(xué)成為海洋科學(xué)的最新前沿。在國際深海競爭中，用于海斗深淵科學(xué)研究的深海探測裝備正成為各國關(guān)注的焦點(diǎn)，各國開始研發(fā)更輕、更小且擁有自航和作業(yè)能力的全海深潛水器[40]。隨著下潛深度的不斷提升，對耐壓殼體的材料性能、制造工藝研究提出了新的要求，需要進(jìn)一步提高耐壓球殼臨界壓力計(jì)算的準(zhǔn)確性，為潛水器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

2）新材料耐壓殼的安全性和可靠性研究。隨著玻璃鋼復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料和陶瓷材料等的發(fā)展，新材料潛水器耐壓殼已有多個(gè)應(yīng)用實(shí)例，陶瓷材料， 碳纖維復(fù)合材料都在無人潛水器上有所應(yīng)用?！昂Ｉ瘛?號的丟失暴露出陶瓷耐壓結(jié)構(gòu)的安全性問題，已直接影響到其他潛水器的設(shè)計(jì)；對于大深度載人潛水器的耐壓殼，國外在使用有機(jī)玻璃和新型復(fù)合材料時(shí)均遭遇過不少困難，使用時(shí)需特別謹(jǐn)慎；耐壓殼在水下承受壓應(yīng)力，而抗壓是纖維復(fù)合材料的弱點(diǎn)，其失效模式的研究應(yīng)作為重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)。因此，新材料耐壓殼的設(shè)計(jì)計(jì)算方法、制備工藝等的都是未來的研究方向。

3）全透明載人艙的設(shè)計(jì)和制造。半球或整球透明玻璃艙的應(yīng)用是當(dāng)下的熱門課題，我國尚未能制造大深度的全透明球形丙烯酸樹脂耐壓殼，關(guān)于高透明度和大直徑球狀有機(jī)玻璃的研制、材料性能的研究、殼體強(qiáng)度及穩(wěn)定性計(jì)算、制造加工工藝等方面研究在國內(nèi)尚屬起步階段，未來在萬米潛水器和一些小型載人潛水器均可以考慮應(yīng)用。

6 結(jié) 語

中國深潛 “三龍” 的研制成功，標(biāo)志著我國深海技術(shù)的飛躍性發(fā)展，體現(xiàn)了我國深海技術(shù)裝備發(fā)展的總體水平，進(jìn)一步關(guān)心海洋、認(rèn)識海洋、經(jīng)略海洋已經(jīng)成為的我國海洋事業(yè)發(fā)展的目標(biāo)。本文對國內(nèi)外潛水器的發(fā)展現(xiàn)狀和潛水器耐壓殼的研究情況進(jìn)行概述，旨在為我國潛水器的研發(fā)提供參考。