本發(fā)明屬于深海潛水器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種深海潛水器耐壓裝置，更具體地說，涉及一種自平衡深海潛水器的蛋形耐壓殼裝置。

背景技術(shù)：

隨著海洋開發(fā)速度不斷加快，從近海到遠(yuǎn)海探索深度不斷增加，各種作業(yè)目的的潛水器種類繁多、發(fā)展迅速，主要用于海洋資源勘探與開發(fā)、科學(xué)研究、軍事探測和打撈等方面。潛水器是大洋勘查與深海科學(xué)研究的重要裝備，作為潛水器的重要組成部分，耐壓殼起著保障下潛過程中內(nèi)部設(shè)備正常工作和人員健康安全的作用，其重量占潛水器總重的1/4～1/2。耐壓殼設(shè)計(jì)對(duì)潛水器安全性、載運(yùn)能力和人機(jī)環(huán)等性能具有重要影響。潛水器在深海承受高壓和低溫，海水的流動(dòng)也會(huì)造成潛水器的晃動(dòng)。然而，潛水器所攜帶的各種儀器設(shè)備常常需要在常溫常壓下工作，潛航員的生存條件也需要和陸面接近。因此，對(duì)潛水器的耐壓結(jié)構(gòu)提出了很高的要求。然而，現(xiàn)有技術(shù)尚存在如下技術(shù)缺陷：

1、目前，深海潛水器耐壓殼多為球形結(jié)構(gòu)，球形殼體為完全對(duì)稱式殼體，對(duì)于缺陷的敏感性較高，較小的初始缺陷都會(huì)造成其承載能力急劇下降。如：對(duì)于直徑為2m、厚度20mm的鈦合金球形耐壓殼，3mm幅值的缺陷會(huì)造成其屈曲臨界載荷下降25.6％。

2、深海潛水器耐壓殼多為單一球形殼體結(jié)構(gòu)，潛航員與儀器設(shè)備等共處一室，空間利用不合理，不利于潛水器的制造與維護(hù)。

3、深海潛水器布放與回收過程會(huì)產(chǎn)生劇烈的晃動(dòng)，環(huán)境舒適性較差。專利號(hào)為zl201510586853.2(一種自平衡耐壓殼裝置)和zl201510746100.3(一種主動(dòng)平衡耐壓殼裝置及其控制方法)的兩個(gè)專利所設(shè)計(jì)的平衡裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大、制造成本高。

4、深海潛水器下潛與上浮多采用水平方式，體表面積大，阻力較大，下潛與上浮時(shí)間較長，工作效率較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和缺陷，提供一種自平衡深海潛水器的蛋形耐壓殼裝置。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)目的所采用的技術(shù)方案是：

一種自平衡深海潛水器的蛋形耐壓殼裝置，包括蛋形耐壓殼2，所述蛋形耐壓殼2的大頭端設(shè)置有觀察窗組件1，小頭端設(shè)置有蛋形封頭組件5，所述蛋形耐壓殼2內(nèi)沿短軸方向設(shè)置有與蛋形耐壓殼2內(nèi)壁相連接的平衡座椅系統(tǒng)3，所述平衡座椅系統(tǒng)3中線對(duì)應(yīng)的蛋形耐壓殼2上內(nèi)壁上設(shè)置有慣導(dǎo)測量系統(tǒng)4。

進(jìn)一步的，所述的蛋形耐壓殼2由沿短軸方向形狀相同的半蛋形殼體i21與半蛋形殼體ii22對(duì)合焊接而成。所述的蛋形耐壓殼2的材質(zhì)為高合金高強(qiáng)度鋼或鈦合金材料。

進(jìn)一步的，所述的觀察窗組件1由球面玻璃11，密封圈12和壓板13構(gòu)成，所述球面玻璃11嵌入在所述蛋形耐壓殼2開設(shè)的孔中由所述密封圈12實(shí)現(xiàn)密封，并由所述壓板13壓緊并通過多個(gè)螺釘與所述蛋形耐壓殼2固定連接。所述球面玻璃11為圓形。

進(jìn)一步的，所述蛋形封頭組件5由封頭連接桿51、雙層密封圈52和蛋形封頭53構(gòu)成，所述蛋形封頭53為沿長軸方向并帶有法蘭的半蛋形殼體，通過所述封頭連接桿51穿過法蘭上設(shè)有的多個(gè)孔與所述蛋形耐壓殼2固定連接，并由所述雙層密封圈52實(shí)現(xiàn)密封。

進(jìn)一步的，所述平衡座椅系統(tǒng)3，由回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、升降系統(tǒng)和座椅支撐系統(tǒng)組成。其中所述回轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括與所述蛋形耐壓殼2相連接的電機(jī)支座31；所述電機(jī)支座31上自左向右依次安置有相連接的直流回轉(zhuǎn)電機(jī)32、減速器33和軸承座34；所述升降系統(tǒng)包括與所述蛋形耐壓殼2相連接的螺旋升降機(jī)支座37，所述螺旋升降機(jī)支座37上自右向左依次安置有相連接的軸承座38，螺旋升降機(jī)39；所述座椅支撐系統(tǒng)包括座椅36、座椅支撐梁35，所述座椅36固定安裝在所述座椅支撐梁35上，所述座椅支撐梁35右端嵌套連接有伸縮桿組件310，所述座椅支撐梁35左端通過聯(lián)軸器、耳環(huán)式鉸鏈與所述回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的軸承座34連接，右端通過伸縮桿組件310與所述螺旋升降機(jī)組件39中的滑動(dòng)塊391相鉸接。

進(jìn)一步的，所述伸縮桿組件310由伸縮桿端蓋3101，滾輪3102，滾輪支撐環(huán)3103，支撐梁擋環(huán)3104，伸縮桿套3105組成，其中所述伸縮桿套3105為一端設(shè)有開口的方形空腔，另一端設(shè)有短軸，所述支撐梁擋環(huán)3104為方柱形，安置在所述方形空腔中并與所述座椅支撐梁35相連接，所述座椅支撐梁35外徑與所述方形空腔內(nèi)壁之間安置所述滾輪3102和所述滾輪支撐環(huán)3103，所述伸縮桿端蓋3101固定連接在所述方形空腔開口端。

所述慣導(dǎo)測量系統(tǒng)4用于測量所述潛水器的姿態(tài)。

一種自平衡深海潛水器的自平衡方法，包括以下自平衡狀態(tài)：

(1)當(dāng)所述潛水器橫搖，即沿x軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，所述螺旋升降機(jī)39中的升降機(jī)滑動(dòng)塊391沿螺旋升降機(jī)39中的螺桿392的上下移動(dòng)，即沿y軸移動(dòng)，帶動(dòng)所述座椅36左右搖動(dòng)，即沿x軸轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，保持座椅36左右平衡；

(2)當(dāng)所述潛水器縱擺時(shí)，通過直流回轉(zhuǎn)電機(jī)32的回轉(zhuǎn)，即沿z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)所述座椅36前后擺動(dòng)，即沿z軸轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，保持座椅36前后平衡；

(3)當(dāng)所述螺旋升降機(jī)39中的升降機(jī)滑動(dòng)塊391帶動(dòng)座椅支撐梁35擺動(dòng)時(shí)，座椅支撐梁35的伸長與縮短通過伸縮桿組件310進(jìn)行補(bǔ)償；在螺旋升降機(jī)39的帶動(dòng)下，座椅支撐梁35可在夾角θ-10°～10°的范圍內(nèi)擺動(dòng)；

(4)當(dāng)所述潛水器下潛、上浮時(shí)分別依靠配重的重力、浮力材料的浮力以及利用蛋形耐壓殼2的流線型實(shí)現(xiàn)垂直下潛與上浮的方式，使?jié)撍鬟\(yùn)動(dòng)方向與觀察窗組件1一側(cè)的大端保持一致；潛水器下潛時(shí)，安裝在前端的配重使?jié)撍鞔蠖顺聦?shí)現(xiàn)下潛；當(dāng)下潛到設(shè)定水深時(shí)，丟棄部分配重，潛水器在推進(jìn)系統(tǒng)的協(xié)助下恢復(fù)水平姿態(tài)并進(jìn)行海底作業(yè)；當(dāng)完成作業(yè)時(shí)，丟棄全部配重，安裝在前端的浮力材料使?jié)撍鞔蠖顺蠈?shí)現(xiàn)上浮。

本發(fā)明較現(xiàn)有技術(shù)所具有的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

1、提出蛋形耐壓結(jié)構(gòu)及其開孔設(shè)計(jì)方法，發(fā)明一種便于開孔、對(duì)缺陷敏感度低的蛋形仿生耐壓殼，具有良好抗壓特性、殼內(nèi)空間利用率、水動(dòng)力學(xué)特性、乘員舒適性、儲(chǔ)備浮力等優(yōu)點(diǎn)，使得潛水器的安全性、載運(yùn)能力、機(jī)動(dòng)性、人機(jī)環(huán)等達(dá)到最優(yōu)協(xié)調(diào)。如：與直徑2m、厚度20mm的球形耐壓殼容積相同的鈦合金蛋形耐壓殼，3mm幅值的缺陷僅造成其屈曲臨界載荷下降16.8％。

2、提出多蛋交接型、單一殼體潛水器，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，提高互換性；實(shí)現(xiàn)電池組快速更換，提高工作效率；縮小耐壓殼尺寸，便于加工和維護(hù)；不同模塊材料不同，具有功能針對(duì)性；提出交接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，為交接型耐壓殼設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

3、通過簡化的平衡機(jī)構(gòu)，在節(jié)省殼內(nèi)空間的同時(shí)，維持座椅及工作平臺(tái)水平與平衡，提高乘員舒適性。

4、潛水器采用垂直下潛與上浮模式，保證蛋形耐壓殼的大端始終與運(yùn)動(dòng)方向相同，利用蛋形殼體的流線型結(jié)構(gòu)，縮短下潛與上浮的時(shí)間，提高水下工作效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明切開蛋形殼體的主視圖。

圖2為圖1切開蛋形殼體的俯視圖。

圖3為圖1切開蛋形殼體的左視圖。

圖4為圖1中ⅰ(觀察窗玻璃壓板組件)局部放大圖。

圖5為圖1中ⅱ(蛋形封頭連接及密封組件)局部放大圖。

圖6為圖1中a向(觀察窗)局部視圖。

圖7為圖1中b-b(加強(qiáng)圍壁)剖視圖。

圖8為圖1中c向(蛋形封頭)局部視圖。

圖9為平衡座椅系統(tǒng)3等軸測圖i。

圖10為平衡座椅系統(tǒng)3等軸測圖ii。

圖11為平衡座椅系統(tǒng)3的自平衡系統(tǒng)機(jī)構(gòu)示意簡圖。

圖12為圖11中ⅲ(伸縮桿組件310)的局部放大圖。

圖13為圖11中d-d(伸縮桿組件310)的剖視圖。

圖14為潛水器自平衡航行示意圖。

圖15為簡化的自平衡系統(tǒng)示意圖。

其中，1-觀察窗組件，11-球面玻璃，12-密封圈，13-壓板，2-蛋形耐壓殼，21-半蛋形殼體i，22-半蛋形殼體ii，3-平衡座椅系統(tǒng)，31-電機(jī)支座，32-直流回轉(zhuǎn)電機(jī)，33-減速器，34-軸承座，35-座椅支撐梁，36-座椅，37-螺旋升降機(jī)支座，38-軸承座，39-螺旋升降機(jī)，391-升降機(jī)滑動(dòng)塊，392-升降機(jī)螺桿(滑動(dòng)桿)，393-升降機(jī)支架，394-升降機(jī)電機(jī)，310-伸縮桿組件，3101-伸縮桿端蓋，3102-滾輪，3103-滾輪支撐環(huán)，3104-支撐梁擋環(huán)，3105-伸縮桿套，4-慣導(dǎo)測量系統(tǒng)，5-蛋形封頭組件，51-封頭連接桿，52-密封圈，53-蛋形封頭，61-回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，62-座椅配重，63-減震彈簧，64-滑塊機(jī)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「內(nèi)」、「外」、「側(cè)面」等，僅是參考附圖式的方向。因此，使用方向用語是用于說明及理解本發(fā)明，而非用于限制本發(fā)明。

如圖1-圖3所示，為本發(fā)明的一種自平衡深海潛水器的蛋形耐壓殼裝置，包括蛋形耐壓殼2，所述蛋形耐壓殼2的大頭端設(shè)置有觀察窗組件1，小頭端設(shè)置有蛋形封頭組件5，所述蛋形耐壓殼2內(nèi)沿短軸方向設(shè)置有與蛋形耐壓殼2內(nèi)壁相連接的平衡座椅系統(tǒng)3，所述平衡座椅系統(tǒng)3中線對(duì)應(yīng)的蛋形耐壓殼2上內(nèi)壁上設(shè)置有慣導(dǎo)測量系統(tǒng)4。

其中，所述的蛋形耐壓殼2由沿短軸方向形狀相同的半蛋形殼體i21與半蛋形殼體ii22對(duì)合焊接而成。所述的蛋形耐壓殼2的材質(zhì)為鈦合金材料，對(duì)于淺海工作的潛水器也可以選用高強(qiáng)度鋼。

所述的觀察窗組件1由球面玻璃11，密封圈12和壓板13構(gòu)成，所述球面玻璃11嵌入在所述蛋形耐壓殼2開設(shè)的孔中由所述密封圈12實(shí)現(xiàn)密封，并由所述壓板13壓緊并通過多個(gè)螺釘與所述蛋形耐壓殼2固定連接。所述球面玻璃11為圓形。如圖4和圖6所示。

所述蛋形封頭組件5由封頭連接桿51、雙層密封圈52和蛋形封頭53構(gòu)成，所述蛋形封頭53為沿長軸方向并帶有法蘭的半蛋形殼體，通過所述封頭連接桿51穿過法蘭上設(shè)有的多個(gè)孔與所述蛋形耐壓殼2固定連接，并由所述雙層密封圈52實(shí)現(xiàn)密封。如圖5、圖7-8所示。

所述平衡座椅系統(tǒng)3，由回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、升降系統(tǒng)和座椅支撐系統(tǒng)組成。其中所述回轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括與所述蛋形耐壓殼2相連接的電機(jī)支座31；所述電機(jī)支座31上自左向右依次安置有相連接的直流回轉(zhuǎn)電機(jī)32、減速器33和軸承座34；所述升降系統(tǒng)包括與所述蛋形耐壓殼2相連接的螺旋升降機(jī)支座37，所述螺旋升降機(jī)支座37上自右向左依次安置有相連接的軸承座38，螺旋升降機(jī)39；所述座椅支撐系統(tǒng)包括座椅36、座椅支撐梁35，所述座椅36固定安裝在所述座椅支撐梁35上，所述座椅支撐梁35右端嵌套連接有伸縮桿組件310，所述座椅支撐梁35左端通過聯(lián)軸器、耳環(huán)式鉸鏈與所述回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的軸承座34連接，右端通過伸縮桿組件310與所述螺旋升降機(jī)組件39中的滑動(dòng)塊391相鉸接。如圖9-11所示。

所述伸縮桿組件310由伸縮桿端蓋3101，滾輪3102，滾輪支撐環(huán)3103，支撐梁擋環(huán)3104，伸縮桿套3105組成，其中所述伸縮桿套3105為一端設(shè)有開口的方形空腔，另一端設(shè)有短軸，所述支撐梁擋環(huán)3104為方柱形，安置在所述方形空腔中并與所述座椅支撐梁35相連接，所述座椅支撐梁35外徑與所述方形空腔內(nèi)壁之間安置所述滾輪3102和所述滾輪支撐環(huán)3103，所述伸縮桿端蓋3101固定連接在所述方形空腔開口端。如圖12-13所示。

所述慣導(dǎo)測量系統(tǒng)4用于測量所述潛水器的姿態(tài)。

所述潛水器還包括動(dòng)力系統(tǒng)、信號(hào)傳輸系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)和機(jī)械臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)、生命維持系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)以及配重、浮力材料、傳感設(shè)備等。

其中，所述動(dòng)力系統(tǒng)包括推進(jìn)器與電池，四個(gè)尾部矢量推進(jìn)器均勻排列安裝在蛋形封頭組件5上，兩個(gè)姿態(tài)調(diào)整推進(jìn)器安裝在蛋形耐壓殼2兩側(cè)并沿短軸布置，電池組放置在蛋形封頭組件5內(nèi)以便于更換。所述信號(hào)傳輸系統(tǒng)安裝在蛋形封頭組件5內(nèi)，提高通信聲波的傳輸范圍與效率。所述中央控制系統(tǒng)布置在由半蛋形殼體i21與半蛋形殼體ii22組成的蛋形耐壓殼2內(nèi)，控制臺(tái)及顯示設(shè)備安裝在座椅36周圍，從而與座椅36保持相對(duì)靜止，便于潛航員觀察與操作。

潛水器自平衡工作方法

結(jié)合圖3，圖9-11對(duì)潛水器自平衡方法進(jìn)行說明。如圖11所示，為平衡座椅系統(tǒng)3的自平衡系統(tǒng)機(jī)構(gòu)示意簡圖；圖12、圖13分別為圖11中伸縮桿組件310的局部放大圖與剖面圖。從左到右包括電機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)32，座椅支撐梁35，伸縮桿組件310，升降機(jī)滑動(dòng)塊391，升降機(jī)螺桿392，升降機(jī)支架393，升降機(jī)電機(jī)394。其中由直流回轉(zhuǎn)電機(jī)32所構(gòu)成的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與座椅支撐梁35、伸縮桿組件310與升降機(jī)滑動(dòng)塊391均通過單向鉸鏈(耳環(huán)式)連接。

深海潛水器在布放過程中會(huì)有較大的晃動(dòng)，這種橫搖(左右搖晃)與縱擺(前后擺動(dòng))運(yùn)動(dòng)的幅度通過安裝在蛋形耐壓殼2頂部的慣導(dǎo)測量系統(tǒng)4測量并輸入中央控制系統(tǒng)。螺旋升降機(jī)39通過渦輪蝸桿傳動(dòng)，由升降機(jī)電機(jī)394帶動(dòng)升降機(jī)螺桿392轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使滑動(dòng)塊391沿著升降機(jī)螺桿392移動(dòng)。

當(dāng)潛水器橫搖(沿x軸轉(zhuǎn)動(dòng))時(shí)，升降機(jī)滑動(dòng)塊391沿升降機(jī)螺桿392的上下移動(dòng)(沿y軸移動(dòng))帶動(dòng)座椅36左右搖動(dòng)(沿x軸轉(zhuǎn)動(dòng))進(jìn)行補(bǔ)償，保持座椅36左右平衡；當(dāng)潛水器縱擺時(shí)，通過直流回轉(zhuǎn)電機(jī)32的回轉(zhuǎn)(沿z軸轉(zhuǎn)動(dòng))帶動(dòng)座椅36前后擺動(dòng)(沿z軸轉(zhuǎn)動(dòng))進(jìn)行補(bǔ)償，保持座椅36前后平衡。

當(dāng)升降機(jī)滑動(dòng)塊391帶動(dòng)座椅支撐梁35擺動(dòng)時(shí)，座椅支撐梁35的伸長與縮短通過伸縮桿組件310進(jìn)行補(bǔ)償。如圖12與圖13所示，伸縮桿組件310為方形截面，座椅支撐梁35與伸縮桿套3105在滾輪3102的作用下可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)伸縮桿組件310的伸縮運(yùn)動(dòng)，并可以將直流回轉(zhuǎn)電機(jī)32的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩傳遞至螺旋升降機(jī)39并帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖11所示，在螺旋升降機(jī)39的帶動(dòng)下，座椅支撐梁35可以在夾角為θ的范圍內(nèi)擺動(dòng)，θ的取值范圍為-10°～10°。

潛水器垂直下潛與上浮工作方法

深海潛水器下潛、上浮過程分別依靠配重的重力、浮力材料的浮力實(shí)現(xiàn)。如圖14所示，為了減小下潛與上浮阻力，提高下潛與上浮速度，利用蛋形結(jié)構(gòu)良好的流線型采用垂直下潛與上浮的方式，使?jié)撍鬟\(yùn)動(dòng)方向與觀察窗一側(cè)的大端保持一致。潛水器下潛時(shí)，安裝在前端的配重使?jié)撍鞔蠖顺驴焖傧聺?；?dāng)下潛到設(shè)定水深時(shí)，丟棄部分配重，潛水器在推進(jìn)系統(tǒng)的協(xié)助下恢復(fù)水平姿態(tài)并進(jìn)行海底作業(yè)；當(dāng)完成作業(yè)時(shí)，丟棄全部配重，安裝在前端的浮力材料使?jié)撍鞔蠖顺峡焖偕细　?/p>

自平衡系統(tǒng)的直流回轉(zhuǎn)電機(jī)32可以在360°內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，無論潛水器大端朝下(下潛過程)或朝上(上浮過程)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在直流回轉(zhuǎn)電機(jī)32的作用下帶動(dòng)座椅36轉(zhuǎn)動(dòng)以保證座椅36方向始終朝上。在自平衡系統(tǒng)的作用下，潛水器內(nèi)部座椅36與控制臺(tái)在整個(gè)布放、下潛、作業(yè)、上浮過程中均保持水平的平衡狀態(tài)，保證了潛航員工作的舒適性。在推進(jìn)系統(tǒng)的作用下，潛水器實(shí)現(xiàn)了姿態(tài)的靈活調(diào)整與海底的自由運(yùn)動(dòng)。

簡化的自平衡機(jī)構(gòu)

結(jié)合圖11，如圖15所示，如果需要進(jìn)一步簡化自平衡機(jī)構(gòu)，可以將螺旋升降機(jī)39換成帶有減震彈簧63的滑塊機(jī)構(gòu)64，將直流回轉(zhuǎn)電機(jī)32與減速器33換為軸承座回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)61，并在座椅底部放置配重62。滑塊機(jī)構(gòu)64與減震彈簧63用來減小潛水器的左右搖晃(沿x軸轉(zhuǎn)動(dòng))，配重62與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)61用來減小潛水器的前后擺動(dòng)(沿z軸轉(zhuǎn)動(dòng))，二者的共同作用使座椅在潛水器工作時(shí)始終保持水平。此時(shí)，完全依靠座椅的自身重力實(shí)現(xiàn)自平衡，不需要額外的動(dòng)力裝置、傳感器及控制設(shè)備。

實(shí)施例

潛水器蛋形耐壓殼與蛋形封頭均選用高合金高強(qiáng)度鋼0cr17ni4cu4nb：彈性模量213gpa，泊松比0.270，密度7.78e3kg/m³，屈服強(qiáng)度865mpa。同時(shí)參照中國船級(jí)社《潛水系統(tǒng)和潛水器入級(jí)與制造規(guī)范》(2013)和歐洲潛水器標(biāo)準(zhǔn)en1993-1-6，對(duì)2000m水深下蛋形耐壓殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(1)蛋形工作艙形狀設(shè)計(jì)

長短軸設(shè)計(jì)：

以半徑為1m的球形耐壓殼為參照對(duì)象，根據(jù)等體積原則，對(duì)蛋形耐壓殼進(jìn)行長短軸設(shè)計(jì)。蛋形耐壓殼采用n-r方程，如式(1)所示：

蛋形耐壓殼的體積可根據(jù)公式(2)進(jìn)行計(jì)算：

半徑為1m的球形耐壓殼體積為4.189m³，且規(guī)定b/l為0.69，故根據(jù)公式(2)可計(jì)算得蛋形耐壓殼的長軸為2.561m，短軸為1.767m。將長軸與短軸長度代入式(1)，可得蛋形耐壓殼的輪廓方程為：

厚度設(shè)計(jì)：

2000m水深的計(jì)算壓強(qiáng)ps可根據(jù)式(4)求得，為32.67mpa。

ps＝kρ0gh/0.9(4)

其中，k為安全系數(shù)取1.5，ρ0為海水密度取1000kg/m³，g為重力加速度取9.8m/s²，h為水深取2000m。

根據(jù)薄殼理論，可確定蛋形仿生殼的經(jīng)向應(yīng)力緯向應(yīng)力σθ(x)、等效應(yīng)力σr4(x)，如式(5)～(7)所示：

其中r1(x)為第一曲率半徑，r2(x)為第二曲率半徑，其計(jì)算公式如式(8)、(9)所示：

蛋形仿生殼的屈曲臨界載荷，采用mushtari方程表述：

其中，為殼上曲率半徑的平均值。

對(duì)蛋形耐壓殼進(jìn)行等厚設(shè)計(jì)，以最大等效應(yīng)力{σr4(x)}max小于等于材料許用應(yīng)力[σ]為準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)其整體厚度。這里，考慮最大等效應(yīng)力{σr4(x)}max等于材料許用應(yīng)力[σ]的情況，確定等厚蛋形仿生殼的最終厚度。

將式(5)、(6)代入式(7)可得：

2000m水深時(shí)，耐壓殼的強(qiáng)度占主要因素，故耐壓殼的厚度可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

厚度確定后，材料質(zhì)量可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

mm＝smtmρm(13)

浮力系數(shù)可根據(jù)式(14)進(jìn)行計(jì)算：

δ＝mm/mw(14)

材料選用0cr17ni4cu4nb合金鋼，其彈性模量e為213gpa，泊松比為0.270，密度為7.78e3kg/m³，屈服強(qiáng)度865mpa。則根據(jù)式(12)，可得蛋殼的厚度為0.02174m。并可根據(jù)公式(10)計(jì)算得出屈曲載荷為58.85mpa。

(2)蛋形封頭設(shè)計(jì)

根據(jù)中國船級(jí)社《潛水系統(tǒng)和潛水器入級(jí)與制造規(guī)范》(2013)，選取蛋形耐壓殼人孔直徑為0.5m，由于需要圍壁加強(qiáng)(厚度為0.035m)，實(shí)際開孔直徑為0.57m。在設(shè)計(jì)蛋形封頭時(shí)，采用與設(shè)計(jì)蛋形耐壓殼相同的方法，具體結(jié)果如下。

長短軸設(shè)計(jì)：

考慮中間連接構(gòu)件外部最大尺寸為0.57m，中間人孔直徑為0.5m，所以封頭的短軸b定為0.57m，根據(jù)蛋形系數(shù)b/l為0.69，可以得到蛋形封頭的長軸l為0.826m。蛋形封頭依然采用n-r方程，如式(1)，取其小端一半。將長軸與短軸長度代入式(1)，可得蛋形封頭的輪廓方程為

厚度設(shè)計(jì)：

材料選用0cr17ni4cu4nb合金鋼，其彈性模量e為213gpa，泊松比為0.270，密度為7.78e3kg/m³，屈服強(qiáng)度865mpa，σr4(x)＝[σ]＝865mpa。2000m水深時(shí)，蛋形封頭的強(qiáng)度占主要因素，計(jì)算壓強(qiáng)ps為32.67mpa。根據(jù)式(8)與式(9)，可得r1曲率半徑的平均值為0.502m，r2曲率半徑的平均值為0.233m，由式(12)，蛋形封頭的厚度為0.0128m。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式。當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的等效改變和變形，都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。