一种深海载人潜水器及其耐压壳体曲面结构的设计方法

摘要

本发明公开了一种深海载人潜水器，包括主壳体、推进器组件、环形滑道、制动盘、制动器，环形滑道设有两个，对称固定于主壳体相对两侧面上，主壳体自推进器组件上表面竖直插入，并通过两个环形滑道与推进器组件滑动连接，使推进器组件与主壳体构成的整体的外轮廓呈鹦鹉螺壳型，制动盘呈圆环状，固定于主壳体的外圈，制动器安装于推进器组件上并与制动盘匹配对应。并公开了其耐压壳体曲面结构的设计方法。通过推进器组件与主壳体配合构成外轮廓呈鹦鹉螺壳型结构的耐压壳体，具体更好的水动力，实现潜水器的主动性走向调整以及主动制动，能适应条件复杂、环境恶劣的深海；鹦鹉螺型潜水器能划分更多舱室，具有良好抗压特性，储备浮力多。

说明书

技术领域

本发明涉及潜航器领域，尤其是涉及一种深海载人潜水器及其耐压壳体曲面结构的设计方法。

背景技术

潜水器主要用于海洋资源高效勘探与开发、科学研究、军事探测和打捞等方面。

潜水器在海底移动的过程中，需要根据海底地形来调整潜水器的走向。潜水器在下潜前，要计算潜水器的浮力系数，使得潜水器能有足够的重力下潜到深海，作业完成后需要上浮，在上浮过程中，需要抛弃潜水器中重物使潜水器重力小于浮力，完成上浮动作，过程繁琐，并且污染环境。

发明内容

发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种深海载人潜水器，实现潜水器走向的主动调整，便于实现上浮，并提供了该潜水器耐压壳体曲面结构的设计方法。

技术方案：一种深海载人潜水器，包括主壳体、推进器组件、环形滑道、制动盘、制动器，所述环形滑道设有两个，对称固定于主壳体相对两侧面上，所述主壳体自所述推进器组件上表面竖直插入，并通过两个所述环形滑道与所述推进器组件滑动连接，使所述推进器组件与所述主壳体构成的整体的外轮廓呈鹦鹉螺壳型，所述制动盘呈圆环状，固定于所述主壳体的外圈，所述制动器安装于所述推进器组件上并与所述制动盘匹配对应。

进一步的，所述主壳体包括第一半壳体、第二半壳体、法兰盘、观察窗、封头，所述第一半壳体与所述第二半壳体相对连接构成外周呈圆形的中空壳体结构，所述制动盘固定于两者的连接面之间，所述法兰盘通过多个螺栓与所述第一半壳体外侧面连接，所述第二半壳体外周面上设有所述观察窗，所述封头设置于所述第二半壳体外侧面上。

进一步的，所述第一半壳体与所述第二半壳体构成的圆形中空壳体的内腔中设有多个呈周向分布的径向隔板，以及多个自圆心起始沿径向分布、直径依次递增的周向隔板，多个所述径向隔板与多个周向隔板组合构成多个舱室。

最佳的，每个所述径向隔板上至少对应设有两个连通舱室的通道。

进一步的，所述螺栓与所述法兰盘的连接面之间设有密封圈，所述法兰盘与所述第一半壳体的连接面之间设有密封垫。

进一步的，所述主壳体内的中部设有操纵舱，底部设有机电设备舱。

进一步的，所述推进器组件包括螺旋桨推进器、副壳体，所述副壳体上开设有弧形凹槽，所述凹槽的相对两个内侧面上对称设有两个滑块，所述主壳体插入所述弧形凹槽中，使两个所述滑块对应对两个所述环形滑道配合，所述副壳体与所述主壳体构成的整体的外轮廓呈鹦鹉螺壳型，所述螺旋桨推进器至少设有两个，分别安装于所述副壳体的上表面，所述制动器与所述螺旋桨推进器安装于所述副壳体的同一面上。

最佳的，所述螺旋桨推进器设有四个，其中两个呈正向安装，另外两个呈反向安装。

进一步的，所述制动器包括气缸、气缸座、摩擦片，所述气缸通过所述气缸座安装于所述推进器组件上，所述摩擦片设有两个，相对设置于所述制动盘的相对两侧并分别与所述气缸连接。

一种上述的深海载人潜水的器耐压壳体曲面结构的设计方法，包括以下步骤：

步骤一、在推进器组件的小端建立空间直角坐标系，推进器组件曲面有外母线、内母线及截面曲线组成，其中，外母线为斐波那契螺旋线，在XZ平面上，内母线为半圆，在XZ平面上，截面曲线为椭圆线，在YZ平面上；

步骤二、在椭圆线经线长轴一端建立X-Y直角坐标系，经线方程为f(x，y)＝0，则

步骤三、推进器组件曲面外母线为斐波那契螺旋线，螺旋线是由两个半圆组成，半圆半径r的值符合斐波那契数列，公式为

步骤四、BC值为

步骤五、计算可得两个半圆的圆心坐标分别为(r

步骤六、在螺旋线上定义任意一点P，OP与内母线交于P′点，则PP′长度为

步骤七、推进器曲面可由大椭圆曲线沿着路径曲线绕

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：通过推进器组件与主壳体配合构成外轮廓呈鹦鹉螺壳型结构的耐压壳体，具体更好的水动力，通过推进器组件绕主壳体的周向旋转，实现潜水器的主动性走向调整，并通过制动盘和制动器的配合，实现主动制动，通过推进器组件的启停，控制潜水器的自由度，使得潜水器的上浮和下潜更加方便快捷，能适应条件复杂、环境恶劣的深海；鹦鹉螺型潜水器能划分更多舱室，具有良好抗压特性，壳内空间利用率高，水动力学性能好，储备浮力多。

附图说明

图1为本发明法兰盘所在一侧的立体结构示意图；

图2为本发明封头所在一侧的立体结构示意图；

图3为本发明主壳体的正视剖视图；

图4为图3的M-M剖视图；

图5为图3的N-N剖视图；

图6为法兰盘的连接结构示意图；

图7为制动器的结构示意图；

图8是本发明的副壳体的轴测图；

图9是简化的副壳体的X-Y视图；

图10是简化的副壳体螺旋线的X-Z视图；

图11是简化的副壳体的X-Z视图；

图中，1、第一半壳体；2、第二半壳体；3、法兰盘；4、观察窗；5、封头；6、径向隔板；7、周向隔板；8、通道；9、螺旋桨推进器；10、副壳体；11、气缸；12、气缸座；13、摩擦片；14、环形滑道；15、制动盘；16、螺栓；17、密封圈；18、密封垫；19、操纵舱；20、机电设备舱；101、椭圆曲线；102、截面曲线；103、外母线；104、内母线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

一种深海载人潜水器，如图1～7所示，包括主壳体、推进器组件、环形滑道14、制动盘15、制动器，主壳体包括第一半壳体1、第二半壳体2、法兰盘3、观察窗4、封头5，第一半壳体1与第二半壳体2相对连接构成外周呈圆形的中空壳体结构，制动盘15呈圆环状，制动盘15固定于两者的连接面之间并相对凸出于两者的外周面，法兰盘3通过多个螺栓16与第一半壳体1外侧面连接，每个螺栓16与法兰盘3的连接面之间分别设有一个密封圈17，法兰盘3与第一半壳体1的连接面之间设有密封垫18，第二半壳体2外周面上设有观察窗4，封头5设置于第二半壳体2外侧面上，第一半壳体1与第二半壳体2构成的圆形中空壳体的内腔中设有多个呈周向分布的径向隔板6，以及多个自圆心起始沿径向分布、直径依次递增的周向隔板7，多个径向隔板6与周向隔板7组合构成多个舱室，每个径向隔板6上至少对应设有两个连通舱室的通道8，主壳体内的中部为操纵舱19，底部为机电设备舱20。

环形滑道14设有两个，分别对称固定于第一半壳体1和第二半壳体2上，每个滑道14的上表面分别开设有滑槽，推进器组件包括螺旋桨推进器9、副壳体10，副壳体10上开设有弧形凹槽，凹槽的相对两个内侧面上对称设有两个滑块，主壳体竖直插入弧形凹槽中，使两个滑块对应对两个环形滑道14上的滑槽配合，副壳体10与主壳体构成的整体的外轮廓呈鹦鹉螺壳型，螺旋桨推进器9至少设有两个，如设有四个，其中两个呈正向安装，另外两个呈反向安装，分别安装于所述副壳体10的上表面的甲板上，制动器述螺旋桨推进器9安装于副壳体10的同一面上，制动器包括气缸11、气缸座12、摩擦片13，气缸11通过气缸座12安装于副壳体10的上，摩擦片13设有两个，相对设置于制动盘15的相对两侧并分别与气缸11连接。

法兰盘为本潜水器的进出口，通过启动正向的螺旋桨推进器或反向的螺旋桨推进器，可实现推进器组件通过环形滑道及滑块绕主壳体的顺时针或逆时针转动，从而实现整个潜水器的主动性走向调整，通过推进器组件的启停，控制潜水器的自由度，使得潜水器的上浮和下潜更加方便快捷，能适应条件复杂、环境恶劣的深海。此外，通过制动盘和制动器的配合，通过启动气缸实现两片摩擦片卡住制动盘，从而实现主动制动，使推进器组件停止在所需位置。

一种上述的深海载人潜水的器耐压壳体曲面结构的设计方法，如图8～11所示，包括以下步骤：

步骤一、如图7所示，在推进器组件的小端建立空间直角坐标系，推进器组件的曲面有外母线103、内母线104及截面曲线102组成。其中，外母线103为斐波那契螺旋线，在XZ平面上，内母线104为半圆，在XZ平面上，截面曲线102为椭圆线，在YZ平面上；

步骤二、如图8所示，鹦鹉螺型耐压壳为椭球壳体，在椭圆经线长轴一端建立X-Y直角坐标系，经线方程为f(x，y)＝0，则

步骤三、如图9～10所示，推进器曲面外母线103为斐波那契螺旋线，螺旋线是由两个半圆组成，半圆半径r的值符合斐波那契数列，公式为

步骤四、如图11所示，BC值为

步骤五、计算可得两个半圆的圆心坐标分别为为(r

步骤六、在螺旋线103上定义任意一点P，OP与内母线交于P′点，则PP′长度为

步骤七、推进器曲面可由大椭圆曲线102沿着路径曲线103绕

本方法主要对副壳体曲面进行设计，通过在潜水器上建立直角坐标系，进一步计算出鹦鹉螺型潜水器曲面方程和鹦鹉螺型推进器曲面方程，提出了一种有别于传统球型潜水器的新型鹦鹉螺型潜水器。相比于传统球型潜水器，鹦鹉螺型潜水器能划分更多舱室，具有良好抗压特性，壳内空间利用率高，水动力学性能好，储备浮力多。

为了进一步验证鹦鹉螺型壳体的优越性，给出本潜水器的强度校验方法，包括以下步骤：

步骤1、选择材料，材料为钛合金，材料参数：弹性模量E＝110GPa，泊松比v＝0.3，屈服强度σy＝830Mpa；

步骤2、设定潜水器的工作深度为h

可得潜水器的极限深度h

步骤3、计算计算深度h

h

取安全系数K为1.5，可得计算深度h

步骤4、计算计算压力P

P

取海水密度ρ＝1.07×10

步骤5、计算耐压壳体的应力σ，计算公式为：

取最大半径R＝5m，厚度R＝0.4m，可得到σ＝650MPa；

步骤6、计算第一曲率半径平均值，计算公式为：

可得到

步骤7、计算第二曲率半径平均值，计算公式为：

可得到

步骤8、计算耐压壳体的临界屈曲载荷，计算公式为：

可得到q

步骤9、对步骤5和步骤6的计算结果进行校验，计算结果满足q

步骤10、若步骤9满足，则潜水器符合设计要求，若不满足，则重新设计并重复步骤1到步骤8内容。

本方法可以快速预测潜水器耐压壳的强度，进而精确定义潜水器耐压壳尺寸及材料许用值，提高了强度分析的效率。