深海中多樣的物種資源和豐富的礦產(chǎn)資源已經(jīng)引起各國政府的高度重視，海洋資源的開發(fā)呈現(xiàn)出由近海向遠洋、由淺海向深海的發(fā)展趨勢。從我國已經(jīng)建造并投入使用的7000米“蛟龍”號，到“深海勇士”號4500米級載人深潛器以及將來萬米級深潛器的研發(fā)，表明我國也日益重視對深海大洋資源進行探測及開發(fā)。
中國船級社（CCS）結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)載人深潛器資料，成功開展了“蛟龍”號和“深海勇士”號入級服務工作，取得了非常好的效果。“蛟龍”號已在我國深?？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”號載人深潛器性能優(yōu)良，可列入國際最先進載人深潛器序列。
國內(nèi)外規(guī)范和現(xiàn)狀
通過對CCS及國外幾家船級社深潛器規(guī)范的研究分析發(fā)現(xiàn)，各家船級社對深潛器鈦合金球形載人艙厚度計算公式、制造偏差和安全系數(shù)的規(guī)定不盡相同，主要表現(xiàn)為如下幾個方面：
1.關(guān)于材料：國外船級社中，僅一家明確規(guī)范計算公式適用于鈦合金材料制造的載人艙，其他規(guī)范給出的計算公式只適用于鋼質(zhì)載人艙；且各船級社對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：各船級社對于制造偏差的要求不相同，對其測定方法也不盡相同。CCS對于制造偏差要求較為嚴格，并且闡明了制造偏差的測定方法。
3.關(guān)于耐壓殼體強度確定性校核：各船級社規(guī)范均給出了屈服和屈曲強度的確定性校核計算公式，其中某些船級社規(guī)范明確給出安全系數(shù)的取值，而其他規(guī)范在計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)于耐壓殼體強度直接計算評估：國外船級社中，針對鈦合金大深度深潛器球形載人艙的強度直接評估方法和流程，僅一家有部分規(guī)定，其他船級社均僅給出了原則性要求；CCS對于屈服強度、極限強度以及疲勞強度均給出了明確的計算方法和計算流程。
鈦合金耐壓殼體的屈服強度研究
通過對系列鈦合金球形載人艙和圓柱形耐壓罐進行有限元應力計算分析，并參考國內(nèi)外相關(guān)深潛器耐壓方面的文獻，CCS對鈦合金球形載人艙和圓柱形耐壓罐的結(jié)構(gòu)有限元分析方法進行了研究：
對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算分析結(jié)果，在滿足一定的網(wǎng)格劃分要求的情況下，在做簡單的應力分析時，可以選擇四邊形網(wǎng)格來替代計算求解。
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僅受重力和浮力作用，不受任何約束，但計算時需要消除結(jié)構(gòu)剛體位移，所以計算模型應具有足夠的位移約束。殼體需3點支持，約束6個位移分量，邊界條件對稱設置，這樣既可以消除整個剛體位移又不妨礙相對變形。
綜上，通過系列鈦合金球形載人艙和圓柱形耐壓罐進行有限元應力計算分析，歸納總結(jié)出合理的載荷工況、邊界條件和應力衡準，制定鈦合金球形載人艙和圓柱形耐壓罐的屈服計算方法和相應的衡準。屈服強度計算方法可適用于球形載人艙和圓柱形耐壓罐殼體，亦適用于萬米級潛深的耐壓殼體。
鈦合金圓柱殼極限承載能力分析
近年來，鈦合金載人深潛器得到了長足發(fā)展，鈦合金載人深潛器的下潛深度也越來越大。除了載人艙的極限承載能力需要得到保障，服務于載人艙的眾多鈦合金壓力容器罐的強度也需要得到保障。
圖2：鈦合金圓柱殼理想研究對象示意圖
重點從單元大小、單元類型選取、材料定義、邊界條件、載荷施加、缺陷考慮方法非線性迭代方法選取和非線性結(jié)果處理等方面進行研究，使用非線性有限元方法，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估方法，并根據(jù)此方法，針對圓柱形耐壓罐，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，得到各個參數(shù)對于極限承載能力的影響。極限強度計算方法，能適用于球形載人艙和圓柱形耐壓罐的殼體，并且建立了極限強度的計算方法和衡準，并可適用于萬米級潛深的耐壓殼體。
下圖為對同一圓柱半徑Rm下的不同殼體厚度和不同圓柱長度下的殼體極限承載力進行了分析，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，從極限強度的角度出發(fā)，為設計方提供設計指導。
圖3：圓柱殼極限承載能力同t/Rm，H/Rm關(guān)系圖
基于斷裂力學方法的疲勞強度計算
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方法計算鈦合金耐壓殼體的疲勞強度。裂紋擴展疲勞壽命的計算基于裂紋擴展速率模型（曲線）進行。裂紋擴張速率與載荷、材料、結(jié)構(gòu)及研究對象所處的環(huán)境有關(guān)，完全準確地表達裂紋擴展速率與各個影響因素之間的關(guān)系是一項十分艱巨的任務。對工程中廣泛使用的Paris公式、考慮應力比影響的單一曲線模型以及能解釋多種疲勞現(xiàn)象的統(tǒng)一預報模型進行耐壓殼體的疲勞強度研究。
通過對國內(nèi)外同級別的深潛器的下潛數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，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；采用斷裂力學方法，不同的裂紋擴展模型對耐壓球殼進行確定性分析，形成CCS深潛器耐壓球殼疲勞壽命計算方法；基于不同裂紋擴展模型，對球形載人艙可靠性指標進行計算，給出目標球殼可靠性指標，形成CCS深潛器球形載人艙可靠性指標計算方法；上述載荷概率分布模型，疲勞計算方法等，均可適用于不同的潛深（含萬米級）的深潛器。
