摘 要

观光潜水器可以让人们遨游海底，为人们提供了一种新的休闲娱乐方式。在深水下，观光潜水器的结构强度是关注的重要问题。本文对80P的观光潜水器的结构进行设计，按照CCS《潜水系统与潜水器建造与入级规范》(2013）对构件的结构强度进行设计和计算校核。不同于常规潜水器，观光潜水器壳体上有连续开口，内部设置了加强筋，这对壳体结构强度产生了影响，因此本文运用了ABAQUS软件对壳体强度进行进一步分析，从两方面考核了结构的安全性。

关键词：观光潜水器；结构强度；有限元

Abstract

Sightseeing submersibles allow people to swim under the sea and provide a new way of leisure and entertainment. Under deep water, the structural strength of sightseeing submersibles is an important issue of concern. This article designs the structure of the 80P sightseeing submersible, and designs and calculates the structural strength of the components in accordance with CCS "Diving System and Submersible Construction and Classification Specifications" (2013). Unlike conventional submersibles, the sight-seeking submersible shell has continuous openings and internal stiffeners, which have an impact on the structural strength of the shell. Therefore, this paper uses ABAQUS software to further analyze the shell strength and evaluate it from two aspects Structure safety.

Key Words：Tourist Submarine；Strength；Finite Element

目录

摘 要 III

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文基本内容 2

第2章 80P潜水器方案设计 4

2.1 艇型的选择 4

2.2 能源的选择 4

2.3 推进装置的选择 4

第3章 80P观光潜水器结构设计 5

3.1 80P观光潜水器结构概述 5

3.2 潜水器的主要尺寸 5

3.3 结构组成 5

3.3.1 圆柱形耐压壳体结构 5

3.3.2 艏艉半球形封头结构 6

3.3.3 艏部观察窗及其基座 6

3.3.4舷侧观察窗及其基座 6

3.3.5出入口围壁 7

第4章 依据CCS“潜规”对构件尺寸进行计算 8

4.1 计算的依据 8

4.2 材料的特性 8

4.3 计算载荷和工作压力 8

4.4 潜水器主结构计算 9

4.4.1 承受外压力的圆柱形壳体 9

4.4.2 承受外压力的半球形封头 11

4.4.3 耐压壳体强度及稳定性校验 12

第5章 有限元方法计算结构强度 13

5.1 观光潜水器建模 13

5.1.1 圆柱形壳体 13

5.1.2 半球形封头 14

5.1.3 基座及肋骨 14

5.1.4 最终模型 15

5.2 导入模型 15

5.3 检查模型 15

5.4 建立分析步 16

5.5 部件耦合 16

5.6 施加载荷 16

5.7 画网格 16

5.8 观光潜水器应力云图 18

第6章 结论 20

致谢 21

参考文献 22

第1章 绪论

1.1 背景及意义

随着科技进步和旅游业的发展，人类对未知领域的探索欲望不断提高，海底观光项目应运而生。我国渤海和南海等海域水质清澈，珊瑚和鱼类种类丰富，特别适合水下观光项目。海底观光需要一种安全可靠的载具，为了满足市场需求，海下载人观光潜器诞生了。

随着水下载人观光潜器的诞生，其受到越来越多人的喜爱，适合各种人群。由于水下观光潜器造价低廉，受人欢迎，目前已应用于各大海域，其营收也相当可观。

1.2 国内外研究现状

在国外，20世纪60年代中期，在日内瓦湖上出现了世界上第一艘民用旅游观光潜艇“Auguste Piccard”号，该艇可乘载40人、艇长30米、潜水深度80米。1985年出现了“豪华鳄鱼”号观光潜艇，在此之后旅游观光潜艇数量迅速增加。1985年加拿大英属哥伦比亚温哥华的一家公司运用“大西洋1号”旅游观光潜艇开发水下观光旅游。虽然国外该行业发展较早，但因其价格太高，因此未能普及。

国内载人观光载器发展较晚，国内第一艘民用观光潜艇出现于20世纪90年代中期，但近年来发展迅速。武昌造船厂先后开发研制了多种型式的半潜式的旅游观光潜艇。其中HT—I型国内第一艘载人观光潜艇，全长3.4m，艇宽1.8m，艇高2.2m；采用直径1.4m的耐压壳体；设置一扇艇首观察窗，由2名观光者自行操纵驾驶；水下观光深度10m。后期研发 HT— III型半潜式旅游观光潜艇，全长6m，艇宽2.2m，最大高度3.1m。半潜状态时吃水2.5m，该艇可乘坐7人。1996年11月，武昌造船厂为海南航空旅业开发股份有限公司制造的40客位大型旅游观光潜艇“航旅一号”下水。2004年，武昌造船厂又为浙江绿色世纪旅游开发有限公司建造了“天清号”旅游观光潜艇。国内设计制造观光潜水器的企业有很多，但在制造规范和营运方面的规定并不健全，在一定程度上阻碍了该行业的发展。

本课题的主要内容为潜水器的结构设计及其相应的强度校核，潜水器的外壳强度是在设计过程中必须重视的问题。国内外已经有多人对潜水器的外壳进行研究，提出了球壳稳定性实用公式，主要有Karman-Tsien公式、德川公式、Berch公式，针对耐压球壳的美国海军设计公式、双临界压力公式实际临界压力公式等方法。有采用有限元分析方法进行的研究，如靖海宏对耐压壳的材料选择与结构设计进行了分析，并对圆柱、半球形耐压壳进行了强度与稳定性有限元分析；Kannappa PalaniappanP利用有限元分析软件ANSYS APDL，对结构的弹性屈服进行了研究。有参考规范对耐压壳体结构的研究，如潘涛对载人潜水器耐压结构进行了缩尺比模型试验，利用CCS、ABS、GL潜器规范对耐压壳结构强度与稳定性进行了计算并与有限元分析结果进行了对比分析；针对深海载人潜水器观察窗，卢骏锋研究了观察窗开口直径及观察窗位置变化对耐压壳强度造成的影响；田常录、胡勇、刘道启等人从理论方面给出了潜水器耐压球壳观察窗变形时的计算公式。赵尚来和Teguh Muttaqie等人对环形加筋圆柱壳进行研究，并计算其在静水压力下的极限强度，提出了一系列公式来预测圆柱壳塌陷压力。赵相雷，Teguh Muttaqie利用ANSYS APDL对钢焊环加筋锥形壳进行了研究，实验在室内水池中进行，利用三个锥形壳模型模拟潜艇不同的失效模式，进行对比分析。但是目前还缺少对连续多开孔的耐压壳体的研究设计，本课题将设计具有连续多开孔的大型水下观光潜水器，并做结构强度校核。

1.3 本文基本内容

本文依据CCS《潜水系统与潜水器建造与入级规范》（2013）（以下简称CCS“潜规”）和船舶行业标准，对80P水下观光潜水器进行结构设计，并运用CCS“潜规”和有限元方法对其结构强度进行计算和分析。本文具体内容如下：

第1章首先指出了本选题的背景和意义，然后概述了国内外观光潜水器的发展历程，最后总结了潜水器耐压结构的国内外研究进展。