[发明专利]载人潜水器观察窗透明件紧固结构及其紧固方法

说明书

技术领域

本发明涉及国防建设领域的各类浅海及深海载人潜水器，尤指一种载人潜水器的观察窗透明件紧固安装结构及其紧固方法。

背景技术

近年来，随着科技的发展和国防、科考以及旅游观光等事业的需要，潜水钟、深海潜艇、观光潜艇等载人潜水器已得到广泛使用。而观察窗作为潜水器中关键的结构部件，除了须具备良好的光学性能外，耐压性、水密性、气密性等安全性能则更为重要。其中光学性能取决于观察窗透明件本身的材质，耐压性、水密性、气密性等安全性能主要取决于观察窗透明件与潜水器外壳的紧固连接。

为满足潜水器舱内人员对舱外环境观察的要求，潜水器观察窗透明件通常选用光学性能良好且具备一定强度的无机玻璃或有机玻璃，但其属于脆性材质，有冲击强度低、拉伸强度低、压缩强度低、承载强度低、抗应力性能差、膨胀系数高、断裂延伸性强、弹性模量小、挠曲强度低、屈服强度低等物理特性。

如图1所示，当一平面物件2置于刚性边框内，在平面上施加均布荷载时，该物件平面会发生凹陷变形，其内部会产生对抗性应力，而且边缘受到刚性制约因素形成应力集中效应，对抗性应力超过该物件边缘材质的性能极限时，该物件边缘会损坏。

如图2所示，当类似于半球面的物件2，圆顶朝上、圆弧底部朝下置于一刚性平面，且半球面物件2外侧面受到均布荷载时，该物件2不会发生凹陷变形现象，但此荷载通过圆弧物理结构传递至物件2的边缘，并形成垂直于径向的拉伸应力，此拉伸应力超过该物件2边缘材质的性能极限时，该物件2边缘会损坏。

图3～图8为目前潜水器观察窗与外壳连接的主要方式，参见美国国家标准《人占用的压力容器的安全标准》ASME PVHO-1-2012。其基本结构大致相同，均为脆性材料周边搁置于刚性边框上、一侧受到均匀水压，且根据上述透明件2材质的特性以及透明件2受到均匀水压时的受力原理，因此该脆性材料的边缘强度就显得尤为重要，一旦处理不好很容易出现裂缝及渗水等安全问题。另外，随着潜水器下潜深度的不断增加，观察窗透明件2受到的水压也是同比例增大的，为应对深海巨大的水压保证结构的强度与稳定，观察窗透明件2边缘与舱壳1连接处的厚度需要相应增加；可是由于受到光学要求的限制，透明件2的整体厚度必须保持一致，而无法因为透明件2边缘的破坏应力较大而局部增加厚度，因此设计时不得不将透明件2的整体厚度加大，这样无疑会对透明件2的光学性能造成一定的影响，同时其内应力变化也更为复杂。

除此之外上述观察窗透明件与舱壳的连接方式还存在以下缺陷：

1、在生产制造及加工过程中，观察窗透明件或多或少会存在一定的缺陷或残余应力，包括磨削、抛光和退火等工序都会对透明件自身的内应力平衡造成破坏；后续在运输、仓储或装配的过程都可能导致该缺陷或应力逐渐放大，日后存在较大的安全隐患；

2、圆弧形对透明件的加工工艺要求更高，透明件的加工尺寸或弧度等必然存在一定的误差，同样潜水器外壳与透明件连接处的接触面存在平整度误差，法兰环与透明件连接处的接触面也存在一定的平整度误差，另外法兰紧固螺栓的拧紧程度也存在差异，上述误差都将影响透明件与舱壳的贴合度，从而导致透明件安装困难，或者安装后存在应力集中，且透明件制品的互换性较差；

3、在使用过程中，虽然观察窗透明件与潜水器外壳之间设有胶垫，但是当潜水器舱外的水压增大到一定程度时，胶垫的弹性形变会到达极限，此时胶垫的缓冲作用将失去而仅存密封作用，此时透明件断面与舱壳之间由柔性接触变为了刚性接触，再加上前述透明件与舱壳自身都存在一定的精度误差，所以此刚性接触对于透明件的受力状态来说是非常不利的同时也是极不稳定的，其自身内部的加工应力与安装应力等都会因此被放大，从而导致透明件的边缘强度进一步降低，直至出现裂缝甚至破坏而引发更严重的安全事故；

4、潜水器在水中不同深度应对的压强是不同的，但是胶垫本身无法做到同时具有最佳的密封效果与最佳的缓冲效果，因此如何为胶垫的密封与缓冲效果设置一个合适的平衡点就显得比较困难；

5、平面透明件外部受到水压时，其整体必然发生一定程度的形变(内凹)，此时透明件外侧边角与法兰挡圈以及舱壳之间的缝隙将变大，当预设的密封垫密封范围不足以覆盖此缝隙时，透明件周边将发生渗水等安全事故。

目前世界上载人潜水器观察窗透明件的安装结构大致相同，只是在透明件的材质及制造工艺上有所改进，透明件与潜水器外壳的紧固结构并无根本改变，上述问题依然存在，潜水器透明件紧固结构亦成为困扰相关技术人员的一大难题。