庄广胶，夏㛃，葛彤

(上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240)

0 引言

目前大深度潜水器的浮力构件主要选用环氧基空心玻璃微珠复合固体浮力材料制作[1–5]。潜水器的浮力构件通常安装在主结构上，潜水器的主结构一般采用铝合金、钛合金和部分不锈钢制造[6]，金属材料的体积弹性模量均比环氧基空心玻璃微珠复合固体浮力材料高数十甚至上百倍。在大深度海水压力下，浮力构件的收缩变形远大于潜水器主结构收缩变形，如果浮力构件安装未能合理设计，轻则出现在大深度水压下潜水器浮力构件安装松动，重则出现浮力构件因安装引发的应力过大导致开裂。中国在“十二五”和“十三五”计划中布局多项深海潜水器，国内多家科研机构也开展了大深度潜水器的研制工作，研究大深度潜水器的浮力构件安装设计有很强的工程意义。

1 问题的分析与优化设计

1.1 早期潜水器浮力构件的安装

早期潜水器浮力构件的安装，采用双头螺杆与潜水器框架结构相连接，并具有防松功能，如图1 所示[7]。图1的浮力构件安装方法在因结构简单，在水深较浅的潜水器上广泛应用。在大深度潜水器上，由于更大的海水压力，使浮力构件的收缩变形量凸显，而浮力构件的安装结构则因为体积弹性模量大、压缩变形量小，使浮力构件该种安装方法存在连接松弛的隐患。

图1 采用双头螺杆安装浮力构件Fig.1 Installation of buoyancy components with double end stud

1.2 体积弹性模量的分析与测试

体积弹性模量K也称体变模量，反映材料的可压缩性。对于常见的固体材料，工程材料手册会提供弹性模量E和泊松比μ的参数，但不会提供体积弹性模量K的参数，但三者之间存在换算关系，如下式：

潜水器主结构常用金属材料的弹性模量、泊松比及计算所得体积弹性模量如表1 所示。

表1 潜水器主结构常用金属材料的体积弹性模量Tab.1 Bulk modulus of metal materials commonly used in main structure of submersible

大深度浮力材料作为一种特殊用途材料，国外仅有数家公司有标准产品供货，国内仍处于研究试制状态。因此浮力材质的弹性模量相关参数仅通过查阅标准和厂家提供数值，难以获取可信度高的参数。陈先等[8]提出了一种浮力材料体积弹性模量测量装置，通过测量对压力桶加压液压缸的体积测量浮力材料体积弹性模量。该方法是通过间接量测量，液体介质体积弹性模量变化、液体介质的泄漏均会影响测量精度。本文设计一套浮力材料体积弹性模量测试装置，如图2 所示，用高精度位移传感器直接测量浮力材料试棒在压力环境下的尺寸变化。浮力材料虽然是复合材料，但各向同性，通过尺寸变化可直接计算出其体积变化，从而获得准确的体积弹性模量参数。计算方法如下式：

图2 体积弹性模量测试装置Fig.2 Bulk modulus testing equipment

使用本文所述浮力材料体积弹性测量装置测得国内外数个型号浮力材料体积弹性模量数值，如表2 所示。

表2 浮力材料体积弹性模量测量值Tab.2 Measurement of bulk modulus of buoyancy materials

由表2 可知，测试的4 种浮力材料，体积弹性模量参数均小于3 GPa，远小于表1 中潜水器主结构常用金属材料的体积弹性模量。

1.3 优化的浮力构件安装方法

针对浮力构件在大深度海水中收缩变形问题，提出一种具有尺寸变化补偿能力的浮力构件安装方案（见图3）。在双头螺杆安装浮力构件的基础上，增加了位移补偿机构。位移补偿机构由碟簧组和导向柱组成。在潜水器入水前，碟簧组处于图3 左侧状态，当潜水器下潜到深海时，浮力构件受海水压力尺寸变小，碟簧组伸长、补偿浮力构件的高度变化，从而使浮力构件稳定的连接在潜水器结构上。

图3 采用位移补偿机构的浮力构件安装结构Fig.3 Installation structure of buoyancy components with displacement compensation mechanism

潜水器浮力构件按照安装形式一般分为3 种。正装，浮力构件安装在结构上方，通过螺杆连接到下方结构上；吊装，浮力构件安装在结构下方，通过螺杆吊装到上方结构上；侧面安装，浮力构件通过螺杆侧向连接到结构上。图4（c）中示意的浮力构件安装形式中，应特别注意使浮力构件有较大尺寸插入结构中，避免通过双头螺杆的剪切作用抵抗浮力构件的重力或浮力。

图4 浮力构件的安装形式Fig.4 Installation form of buoyancy components

2 设计准则及计算过程

以全海深ARV 配套中继器的浮力构件作为安装设计对象，给出设计校核准则和计算过程。

2.1 设计准则

任何工况下，浮力构件所受到的安装、水压等各种应力总和不超过浮力构件的单轴压缩强度。

1）设计准则一

近水面布放回收工况，按照潜水器设计作业海况，依据劳氏船级社给出的动载系[9]校核浮力材料受力是否超过其许用压应力。图4（a）和图4（c）的结构不必做该项校核，图4（b）的结构浮力构件通过双头螺杆吊装的，起吊时动载系数直接影响了浮力构件的受力，需校核下部与浮力构件接触的大垫片与浮力构件之间的接触应力，要求不大于浮力材料许用单轴压缩强度。中继器浮力构件采用的图4（a）的布置形式，不必做该项校核。

2）设计准则二

最大深度工作工况，浮力构件和与之接触的大垫片之间的挤压应力加上海水压力不大于浮力材料许用单轴压缩强度。考虑到潜水器剧烈运动时加速度及水流作用，安装力需要超过浮力构件净浮力的至少2 倍。

2.2 设计计算过程

中继器浮力构件原材料性能及相关设计参数如表3所示。

表3 浮力材料参数表Tab.3 Parameter table of buoyancy materials

2.2.1 浮力构件尺寸变化计算

中继器上某浮力构件安装高度L=430 mm，在6 000 m工作深度，该高度变化为 ΔL。由式（4）变换得：

计算得ΔL=3.69 mm。

2.2.2 碟簧的选型

碟簧相关参数如表4 所示。

表4 碟簧组参数表Tab.4 Parameter table of disc spring group

由于单个碟簧变形量较小，不能满足浮力构件位于补偿需求，需要将碟簧串联使用。碟簧串联数量计算如下：

碟簧工作区间选择变形量20%～60%段，该区间段单个碟簧变形量为：

计算得Δh=0.236 mm。

浮力构件安装高度方向位移变化 ΔL，需要的碟簧数量n为：

计算得n=15.7，圆整并放余量选择n=20。

2.2.3 校核反推碟簧工作区间

碟簧组自由高度

碟簧组预紧安装高度（60%压并量）

计算得Ha=45.3 mm。

碟簧组60%压并量时弹力Fa=5 838 N，与浮力构件接触的大垫片面积S=3 042 mm2。

接触压强为：

Pa小于 σc，浮力构件在该校核工况下安全。

2.2.4 最大工作深度工况校核

碟簧组工作高度为：

对应单个碟簧高度2.45 mm，此时弹簧压缩量百分比28.35%，通过查找该弹簧工作曲线，得出弹力Fc=2 824 N。该块浮力构件由4 根相同的双头螺杆安装固定。

接触压强为：

浮力构件在该工况下安全。

3 实 验

浮力构件制成后，利用深海环境模拟器开展耐压测试，使用槽钢模拟潜水器主结构，将浮力构件按照施工设计参数安装在模拟结构上。经过62 MPa、24 h的静水压测试，浮力构件外观无缺陷，安装相关区域无损伤，验证了该浮力构件的安装结构设计是成功的。

4 结语

本文提出的大深度潜水器浮力构件安装设计方法在海龙III 型ROV 上得到了很好的验证，在全海深ARV 配套中继器上开展了更为细致的设计与实验，证明了该设计方法的正确性。相对于机动能力弱的载人潜水器和AUV（Autonomous Underwater Vehicle），ROV 在潜水器家族属于功率大、机动能力较强的潜水器，在如此严酷的工况下，浮力构件的安装设计得到了考证，说明该方法完全可以满足设计使用要求，为大深度潜水器浮力构件的安装设计提供参照。