深海中多樣的物種資源和豐富的礦產(chǎn)資源已經(jīng)引起各國(guó)政府的高度重視，海洋資源的開(kāi)發(fā)呈現(xiàn)出由近海向遠(yuǎn)洋、由淺海向深海的發(fā)展趨勢(shì)。從我國(guó)已經(jīng)建造并投入使用的7000米“蛟龍”號(hào)，到“深海勇士”號(hào)4500米級(jí)載人深潛器以及將來(lái)萬(wàn)米級(jí)深潛器的研發(fā)，表明我國(guó)也日益重視對(duì)深海大洋資源進(jìn)行探測(cè)及開(kāi)發(fā)。
中國(guó)船級(jí)社（CCS）結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)載人深潛器資料，成功開(kāi)展了“蛟龍”號(hào)和“深海勇士”號(hào)入級(jí)服務(wù)工作，取得了非常好的效果。“蛟龍”號(hào)已在我國(guó)深?？瓶脊ぷ髦邪l(fā)揮著不可替代的作用，海試結(jié)果也表明“深海勇士”號(hào)載人深潛器性能優(yōu)良，可列入國(guó)際最先進(jìn)載人深潛器序列。
國(guó)內(nèi)外規(guī)范和現(xiàn)狀
通過(guò)對(duì)CCS及國(guó)外幾家船級(jí)社深潛器規(guī)范的研究分析發(fā)現(xiàn)，各家船級(jí)社對(duì)深潛器鈦合金球形載人艙厚度計(jì)算公式、制造偏差和安全系數(shù)的規(guī)定不盡相同，主要表現(xiàn)為如下幾個(gè)方面：
1.關(guān)于材料：國(guó)外船級(jí)社中，僅一家明確規(guī)范計(jì)算公式適用于鈦合金材料制造的載人艙，其他規(guī)范給出的計(jì)算公式只適用于鋼質(zhì)載人艙；且各船級(jí)社對(duì)材料是否考慮泊松比的影響有不同的規(guī)定；CCS目前規(guī)范已涵蓋鋼和鈦合金兩種材料。
2.關(guān)于制造偏差：各船級(jí)社對(duì)于制造偏差的要求不相同，對(duì)其測(cè)定方法也不盡相同。CCS對(duì)于制造偏差要求較為嚴(yán)格，并且闡明了制造偏差的測(cè)定方法。
3.關(guān)于耐壓殼體強(qiáng)度確定性校核：各船級(jí)社規(guī)范均給出了屈服和屈曲強(qiáng)度的確定性校核計(jì)算公式，其中某些船級(jí)社規(guī)范明確給出安全系數(shù)的取值，而其他規(guī)范在計(jì)算公式中隱含地考慮了安全系數(shù)的影響；CCS明確給出安全系數(shù)的取值。
4.關(guān)于耐壓殼體強(qiáng)度直接計(jì)算評(píng)估：國(guó)外船級(jí)社中，針對(duì)鈦合金大深度深潛器球形載人艙的強(qiáng)度直接評(píng)估方法和流程，僅一家有部分規(guī)定，其他船級(jí)社均僅給出了原則性要求；CCS對(duì)于屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度以及疲勞強(qiáng)度均給出了明確的計(jì)算方法和計(jì)算流程。
鈦合金耐壓殼體的屈服強(qiáng)度研究
通過(guò)對(duì)系列鈦合金球形載人艙和圓柱形耐壓罐進(jìn)行有限元應(yīng)力計(jì)算分析，并參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)深潛器耐壓方面的文獻(xiàn)，CCS對(duì)鈦合金球形載人艙和圓柱形耐壓罐的結(jié)構(gòu)有限元分析方法進(jìn)行了研究：
對(duì)比分別采用四邊形殼單元、四面體單元和六面體單元三種不同單元形式的有限元模型計(jì)算分析結(jié)果，在滿(mǎn)足一定的網(wǎng)格劃分要求的情況下，在做簡(jiǎn)單的應(yīng)力分析時(shí)，可以選擇四邊形網(wǎng)格來(lái)替代計(jì)算求解。
圖1 四邊形殼單元有限元模型
載人深潛器耐壓殼體在水下工作時(shí)僅受重力和浮力作用，不受任何約束，但計(jì)算時(shí)需要消除結(jié)構(gòu)剛體位移，所以計(jì)算模型應(yīng)具有足夠的位移約束。殼體需3點(diǎn)支持，約束6個(gè)位移分量，邊界條件對(duì)稱(chēng)設(shè)置，這樣既可以消除整個(gè)剛體位移又不妨礙相對(duì)變形。
綜上，通過(guò)系列鈦合金球形載人艙和圓柱形耐壓罐進(jìn)行有限元應(yīng)力計(jì)算分析，歸納總結(jié)出合理的載荷工況、邊界條件和應(yīng)力衡準(zhǔn)，制定鈦合金球形載人艙和圓柱形耐壓罐的屈服計(jì)算方法和相應(yīng)的衡準(zhǔn)。屈服強(qiáng)度計(jì)算方法可適用于球形載人艙和圓柱形耐壓罐殼體，亦適用于萬(wàn)米級(jí)潛深的耐壓殼體。
鈦合金圓柱殼極限承載能力分析
近年來(lái)，鈦合金載人深潛器得到了長(zhǎng)足發(fā)展，鈦合金載人深潛器的下潛深度也越來(lái)越大。除了載人艙的極限承載能力需要得到保障，服務(wù)于載人艙的眾多鈦合金壓力容器罐的強(qiáng)度也需要得到保障。
圖2：鈦合金圓柱殼理想研究對(duì)象示意圖
重點(diǎn)從單元大小、單元類(lèi)型選取、材料定義、邊界條件、載荷施加、缺陷考慮方法非線(xiàn)性迭代方法選取和非線(xiàn)性結(jié)果處理等方面進(jìn)行研究，使用非線(xiàn)性有限元方法，建立球形載人艙和圓柱形耐壓罐的耐壓殼體極限承載能力的評(píng)估方法，并根據(jù)此方法，針對(duì)圓柱形耐壓罐，分析極限承載能力和殼體厚度，圓形封頭半徑及圓柱高度的關(guān)系，得到各個(gè)參數(shù)對(duì)于極限承載能力的影響。極限強(qiáng)度計(jì)算方法，能適用于球形載人艙和圓柱形耐壓罐的殼體，并且建立了極限強(qiáng)度的計(jì)算方法和衡準(zhǔn)，并可適用于萬(wàn)米級(jí)潛深的耐壓殼體。
下圖為對(duì)同一圓柱半徑Rm下的不同殼體厚度和不同圓柱長(zhǎng)度下的殼體極限承載力進(jìn)行了分析，得到了不同的厚度半徑比（t/Rm）和不同深度半徑比（H/Rm）下的圓柱殼體的極限承載能力值，從極限強(qiáng)度的角度出發(fā)，為設(shè)計(jì)方提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)。
圖3：圓柱殼極限承載能力同t/Rm，H/Rm關(guān)系圖
基于斷裂力學(xué)方法的疲勞強(qiáng)度計(jì)算
鈦合金耐壓殼體深潛器屬大厚度結(jié)構(gòu)，需要采用考慮因素更為全面的斷裂力學(xué)方法計(jì)算鈦合金耐壓殼體的疲勞強(qiáng)度。裂紋擴(kuò)展疲勞壽命的計(jì)算基于裂紋擴(kuò)展速率模型（曲線(xiàn)）進(jìn)行。裂紋擴(kuò)張速率與載荷、材料、結(jié)構(gòu)及研究對(duì)象所處的環(huán)境有關(guān)，完全準(zhǔn)確地表達(dá)裂紋擴(kuò)展速率與各個(gè)影響因素之間的關(guān)系是一項(xiàng)十分艱巨的任務(wù)。對(duì)工程中廣泛使用的Paris公式、考慮應(yīng)力比影響的單一曲線(xiàn)模型以及能解釋多種疲勞現(xiàn)象的統(tǒng)一預(yù)報(bào)模型進(jìn)行耐壓殼體的疲勞強(qiáng)度研究。
通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外同級(jí)別的深潛器的下潛數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)其下潛特征選用不同的載荷分布模型擬合，選出合適的耐壓球殼疲勞載荷概率分布模形；采用斷裂力學(xué)方法，不同的裂紋擴(kuò)展模型對(duì)耐壓球殼進(jìn)行確定性分析，形成CCS深潛器耐壓球殼疲勞壽命計(jì)算方法；基于不同裂紋擴(kuò)展模型，對(duì)球形載人艙可靠性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，給出目標(biāo)球殼可靠性指標(biāo)，形成CCS深潛器球形載人艙可靠性指標(biāo)計(jì)算方法；上述載荷概率分布模型，疲勞計(jì)算方法等，均可適用于不同的潛深（含萬(wàn)米級(jí)）的深潛器。
