大倾角球形转裙的密封性能研究

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1、50卷第3期（总第187期）中国造船Vol.50No.3(SerialNo.187)2009年9月SHIPBUILDINGOFCHINASep.2009文章编号：1000-4882(2009)03-0120-08大倾角球形转裙的密封性能研究卢骏锋，赵耀（华中科技大学船舶与海洋工程学院，湖北武汉430074）摘要球形转裙结构是潜水器结构上常见的一种对接装置，能够在大倾斜角度下与对接平台进行水下对接。但大倾角的存在降低了转裙的密封性能，因而有必要研究大倾角下转裙活动法兰处的密封性能。本文针对45°对

2、接角度下的球形转裙结构，利用有限元方法详细分析了转裙活动法兰之间接触应力的分布规律。分析中考虑了对接深度、转裙旋转角度和海流等因素的影响，由此得到了一些有用的结论，为该类结构的密封结构设计与密封性能分析提供参考。关键词：船舶、舰船工程；密封;转裙;接触应力;对接角度中图分类号：U667.6;P754.3文献标识码：A0引言进入21世纪以来，随着人们对海洋开发力度的不断增加，用于海洋数据测量、海洋能源与矿藏开发、海底管线敷设与维修以及海洋空间利用等方面的水下结构物将会越来越多，从而对水下设备、人员

3、转运的需求也相应增大。用于水下各种平台与转运潜器或水面、水下穿梭航行器之间进行对接的水下对接技术因而成为海洋开发的关键技术之一。对接裙结构是潜水器与对接平台进行对接的装置，在对接过程中须要保证对接装置和对接平台能够顺利地对接。考虑到对接平台可能出现不同程度的倾斜，要求对接裙能够倾斜一定的角度来实现对接。早期的潜水器对接装置均采用固定式对接裙，对操作性能要求很高，作业能力受到很大限制。二十世纪九十年代中期，部分国家开始采用活动式对接裙(转裙)新技术，使得潜水器能在最佳角度抵御海流，大大提高了对接能

4、力。救生钟上常用的柱形转裙切口为椭圆形，旋转之后须要使用较大的法兰[1]来保证对接裙的密封性；而球形转裙可以克服这个缺点，因而得到广泛的应用。对接裙能够倾斜的角度越大，作业成功的几率就越大，因此大倾角的对接裙是对接装置的发展趋势。目前，国际上潜水器的转裙最大对接角度普遍达到45°。对转裙结构而言，在工程设计上除了要保证结构的强度和稳定性外，更要保证转裙与对接平台对接时的密封安全、可靠。转裙的对接密封性能与多种因素有关，包括对接姿态、外界载荷和自身结构等因素。众多影响因素使得对转裙密封性能的研究变

5、得十分困难。在现行的潜水器设计规范中，对潜水器结构对接密封技术参数还没有明确规定，另一方面，大的倾角导致转裙结构的密封性能更加复杂，收稿日期：2008-11-12;修改稿收稿日期：2009-08-0150卷第3期(总第187期)卢骏锋，等：大倾角球形转裙的密封性能研究121[2]因此研究大倾角转裙的密封性能显得十分重要。国内外关于球形转裙的研究并不多，Schoof等采用[3]有限元法分析了球形转裙的强度与稳定性，分析模型的最大对接角度为45°。George等对球形转裙的[4]建造工艺进行了描述。

6、在对接裙的密封性能的研究方面，茅及愚等对一球形转裙的密封装置进行了[5]方案设计，其倾斜角度为30°。胡勇等则对固定式救生钟的密封性能进行了分析，采用了简单受力分析来估算各种因素对密封性的影响，最大对接角度为45°。但受力分析方法仅在对接深度较小时有足够的精度，不适用于大深度下的密封性能分析。采用有限元数值方法综合考虑各种因素下的转裙密封性能是比较合理的分析途径。尽管转裙结构的密封能力不仅要考虑活动法兰之间的接触压力，还须要考虑密封圈的影响，但密封圈的影响可以独立出来考虑，所以活动法兰之间的接触

7、应力仍可以很好地描述转裙的密封状态，并根据接触应力分布规律来指导或改进法兰的设计和密封圈样式、位置的设计。本文基于有限元数值方法，以倾斜角度为45°的球形转裙结构为分析模型，详细分析活动法兰之间的接触应力分布。考虑了包括海水深度、对接角度和海流等级在内的多种因素的影响，并总结了一些规律，为该类结构的密封设计提供参考。1球形转裙的结构特点1.1结构组成球形转裙主要由球形壳体、加强法兰和连接通道组成，如图1所示。球形壳体被一倾斜的法兰切开，分为方位裙和角度裙。连接通道也称为固定裙，用来连接球形壳体与

8、潜水器主艇体，通常为圆柱壳体结构。水平法兰连接固定裙与方位裙，可以调整潜水器主体的迎流方向，倾斜法兰用来旋转角度裙，对接法兰用来与对接平台对接。当倾斜法兰的倾斜角度为θ时，对接法兰的最大倾斜角度，也就是转裙的最大对接角度为两倍的θ。图1活动转裙的结构示意图1.2密封性能1.2.1影响因素转裙结构属于大开口薄壁结构，结构复杂。设计中除须考虑强度、稳定性以外，还对密封技术提出很高的要求。转裙的对接密封性能与多种因素有关：外界的工况与载荷影响因素，其中包括潜器的122中国造船学术论文对接深度、海流等级