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60P水下观光潜水器设计文献综述

 2020-04-14 10:04  

1.目的及意义

民用观光潜艇,也称为旅游观光潜艇,通常指的是采用商贸运营模式并载运乘客开展水下旅游参观的载人潜艇。因此,旅游观光潜水艇也是常压载人潜水器的一个支派。按载客人数分:大型潜艇(可乘50人以上)、中型潜艇(可乘10-40人)、小型潜艇(可乘10人以下),以及微型潜艇可乘(2-3人)等几种;也可按潜水深度划分,分为:深潜型(下潜深度超过1000m)、浅水型(下潜10-50m)、半潜型(下潜1-2m等)。现在观光潜水艇大多设计潜水深度为50m或以下[1]

到目前为止,世界各国已先后制造了多艘旅游观光潜水艇,这些潜艇已经投入商业营运并多次出口国外。如今,经济的迅猛发展推动的旅游行业的发展,旅游观光潜水艇行业发展迅速。我国是迄今为数不多的已建造观光潜水艇的国家中的一员。

观光潜艇(Tourist/Passenger Submersibles)是能够运载乘客在水下运行、浮出水面并保持水面航行的自航运载器。它可以搭载未经受过训练的游客进行海洋旅游观光。它在现如今的海洋旅游行业中已经进行了广泛的应用。世界上第一艘观光潜艇是1964年在瑞士营运使用的—“AugustePiccard”,之后,世界各国开始制造观光潜艇,在地中海、墨西哥湾、加那利群岛、关岛、塞班岛开曼群岛、巴巴多斯、巴厘岛、台湾、维京群岛、夏威夷、冲绳和济州岛等旅游地区营运。每年乘坐观光潜艇的旅客超过200万,产值高达1.5 亿美元[2]

从 20 世纪 90 年代中后期开始,中国开始参与观光潜艇行业。武昌船厂在1996 年年底建造了一艘可乘 40 客位的观光潜艇“航旅一号”,在2004 年又建造了一艘可乘 48 客位的观光潜艇“天清号”。大连造船厂在2001 年研制、建造了一艘可乘10客位的观光潜艇 “金涛”号。在 2004 年为泰国恒发投资有限公司建造了两艘可乘 48 客位的潜艇“海泰一号”和“海泰二号”[3]。2016年,由中国船舶重工集团公司第702研究所研制的全通透载客潜水器“寰岛蛟龙1”号在海南省三亚市亚龙湾投入试运营。[4]观光潜艇的有关建造早我国有着良好的基础,主要是由于我国在有关观光潜艇的建造标准及相关规范、管理法规的不完善,导致了观光潜水艇的建造和运营都有很多问题。约束了观光潜水艇行业的发展。例如:2013年04月15日,珠海一艘民间制造的潜水艇试航时失事,一人逃生,三人失踪。

潜水器的耐压壳内有很多仪器部件,如果耐压壳受压破损进水,会引发事故,故耐压壳必须符合强度要求。结构的设计以及计算是设计的主要内容。

耐压壳强度分析方法:理论计算、规范校核和有限元计算三种方式。对于理论计算以及规范校核日渐成熟,随着信息时代的带来,计算机行业的快速发展,大量的有限元软件有了广泛的应用,常用的有限元软件有: ANSYS、MSC.NASTRAN、ABAQUS等,对于有限元计算总要的是建模以及处理约束条件,要求设计者要对有限元软件要熟悉应用。对潜水器的耐压壳建模时,为方便计算采用板梁结合的形式,耐压壳模型采用壳单元,加强筋模型采用梁单元。[5]

例:观光潜艇主要材料:钢板和有机玻璃

张少雄、曾竞龙、杨永谦采用有限元分析软件NASTRAN对潜艇的耐压壳进行结构有限元直接计算,依据CCS《潜水系统和潜水器入级与建造规范》对其强度、稳定性及窗座的刚度进行校核。[6]

关于潜器的上浮下潜:以前的潜器是通过利用可弃压载和可调压载进行上浮下潜,Deep flight采用了与飞机类似的原理,依靠可回转的翼产生浮力实现下潜,在海里航行时可通过螺旋桨等推进器进行转向前进航行。[7]

载人潜器的非耐压框架结构是一个空间钢架结构,采用软件与计算机计算对主框架进行方案优化,谢金鑫首先对潜器主框架双点吊放和母船系固两种工况进行核。基于APDL语言建立了参数化模型并将ANSYS与ISIGHT软件集成,以框架纵向梁构件和横向板架结构的厚度作为优化变量,重量最轻为优化目标进行了框架结构优化设计,结果表明重量减少了52.24%,效果显著。邢海东以APDL为开发工具,对潜器框架结构的设计参数进行了多次组合优化设计,优化设计变量收敛性良好,取得了理想效果。杨卓懿针对传统优化方法效率低、收敛性差、计算时间长的缺陷,采用近似模型技术对非耐压结构进行了优化设计,结果显示质量显著减少,材料的利用率得到提高。李佳采用流体力学数值计算与多岛遗传优化算法相结合的一体优化方法,以潜器艇体阻力最小为目标进行了外形优化设计,结果表明潜器外形比原长增加了0.9m,阻力减小了13%,优化效果良好。[8]

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