有机玻璃耐压壳的应力与稳定性分析摘要：全通透潜水器在深海下潜时要承受高静水压力、冲击、交变应力和振 动等多种苛刻环境载荷 ,上述载荷因素都可能对其结构稳定性和安全性产生影响 然而,全通透潜水器的耐压壳使用的是有机玻璃,材料具有黏弹性特性,结构的力 学行为、性能随着时间而变化,分析这种特性对结构设计是非常重要的关键词：有机玻璃；耐压壳；稳定性分析深海全通透潜水器的耐压壳是使用材料为有机玻璃，其满足了科学家、探险 爱好者以及游客可以近距离观察海洋生物、美丽的海底景色，海洋深处的地形地 貌勘察、样本获取、拍摄及生物和矿产资源的勘测都扮演着重要角色有机玻璃 耐压壳在材料性能以及制造、加工、工艺不断地发展进步，才能满足全通透潜水 器下潜到海洋深处但是关于有机玻璃壳体的黏弹性特性、稳定性计算等方面的 研究进展，较为缓慢，这使得上述问题得到各个国家的关注，对其研究是必要且 具有应用价值1 有机玻璃的概念有机玻璃(Polymethylmethacrylate)是一种通俗的名称，缩写为PMMA此 高分子透明材料的化学名称叫聚甲基丙烯酸甲酯，是由甲基丙烯酸甲酯聚合而成 的高分子化合物是一种开发较早的重要热塑性塑料。
有机玻璃分为无色透明、 有色透明、珠光、压花有机玻璃四种有机玻璃俗称亚克力、中宣压克力、亚格 力，有机玻璃具有较好的透明性、化学稳定性，力学性能和耐候性，易染色，易 加工，外观优美等优点有机玻璃又叫明胶玻璃、亚克力等2 有机玻璃耐压壳的结构形式及其构造特点有机玻璃耐压壳的结构形状及材料一般是根据深海潜水器的下潜深度与其承 受的有效载荷来确定的，同时还要考虑很多方面包括：比刚度、比强度、腐蚀性 能、优化性能以及加工难易成本但是有机玻璃的耐压壳与金属材料的耐压壳又 有很大区别，在交接过渡处不能进行焊接，必须通过金属环肋与其进行连接，嵌 入其中，与金属耐压壳相比重量大大的减少了，也要满足下潜很深的深度2.1 柱形组合最常用的一般是球形和圆柱形有机玻璃又具有非常多的优点：质量较轻、 透光性大、不易破碎、比重小、强度高、耐老化以及良好的承受力性能等优点的 功能材料，由于上述优越的力学性能，被广泛应用在航空工业、深浅设备、建筑 产业以及物理化学等方面特别是在大范围使用透明材料的潜水器的观测船舱、 深海观光型载人潜水器2.2 圆柱形有机玻璃耐压壳该材料生产加工比较简单，其具有下列优点：空间使用率较高及水流的阻力 较小。
缺点为：材料的使用效率较低，稳定性差，稳定性也是制约其发展的重要 因素一般下潜深度有限，并同时需要加强筋交接但是在圆柱形有机玻璃耐压 壳与金属环肋交接过渡处，会出现交界处应力集中问题，局部容易产生破坏2.3 球形形有机玻璃耐压壳该有机玻璃耐压壳虽然承受载荷以及稳定性是最好的结构形式，与其它相同 质量的复杂结构的耐压壳相比较，有相同的径向与周向应力，在其中面上的应力 是相同直径柱形壳体的 50%，稳定性较好也是其优势但是作为全通透潜水器的 耐压壳一般是需要开口，开口和环肋的嵌入比较困难（无法焊接），同时加工制作 比较困难且成本较高，空间利用率低，机动性不能得到保证，以及水流的阻力要 远大于柱形结构2.4 椭球形有机玻璃耐压壳该有机玻璃耐压壳在端部有一定的倾斜角度，并且中部有一定的凸起度，和 球比较类似，水阻力与球壳相比较小，同时稳定性比较好但是制造加工费用较 高、加工困难，开口处会出现应力集中问题，应力分析比较困难继承了圆柱形 结构的一些优点且空间利用率得到有效的应用，对潜水器的的运行速度得到较大 的提升但是对于下潜深度比较深的全通透潜水器的耐压壳一般是组合形式，或者类 似于球形、球形壳结构。
空间的利用率、动力性性能也是要满足要求，也要求耐 压壳满足安全性3 有机玻璃耐压壳的关键力学问题3.1 材料的黏弹性力学行为有机玻璃是一种高分子聚合材料，同时也是一种 无色透明的的热塑性聚合物材料其无色透明这一优点特性的使用越来越广泛， 飞机和潜艇的观察窗都是其应用有机玻璃也是一种本构模型，与其本构模型相 关的主要参数：温度、应变率等有机玻璃的特点非常多，一般包括：蠕变、应 力松弛、应变迟滞和应变率敏感等，其力学性能主要依赖于温度、加载时间、加 载速率和应力大小蠕变会随着时间的增加而增加，并会影响应力分布甚至出现应力重新分布进 而影响结构的强度当温度在增加时有机玻璃会表现一种特性，会转化到一种类 似于玻璃的形态，达到此温度后有机玻璃就会从玻璃状态到橡胶态的转化目前 有机玻璃的的力学性能主要是采用实验、理论以及数值模拟这几种方法相结合 国外一般是以PMMA研究为主，并以其推导本构关系，国内一般是以航空玻璃研 究为主推导其本构关系准确的研究有机玻璃的黏弹性性质这一关键力学问题， 有机玻璃耐压壳在下潜、上浮、长时间水下作业后强度和稳定性的变化，对以后 全通透潜水器的发展以及下潜到更深的深度都有着不可替代的作用，因此研究有 机玻璃耐压壳的黏弹性性质也是非常必要的。
3.2 局部奇异应力场问题全通透潜水器的有机玻璃耐压壳与金属环肋的接合以及在有机玻璃与金属环 肋的接触界面端会有局部奇异应力场，有机玻璃耐压壳嵌入金属环肋中在全通 透潜水器的下潜和上升的过程中以及在深海进行作业时，在有机玻璃与金属环肋 的接触界面端会出现应力集中的问题，或者称为应力奇异现象有机玻璃与金属 环肋交接处可以简化为黏弹性与弹性接触界面端，接触界面端附近的应力场的强 弱影响着全通透潜水器的疲劳裂纹产生的速度以及使用寿命的长短由于在外部 复杂载荷的作用下，有机玻璃与金属环肋接触界面端的接触面积会发生变化，也 就是说存在相对滑移，故有机玻璃与金属环肋之间的摩擦系数对局部应力场的强 度有较大影响通过进一步的研究发现，接触界面端的应力奇异性的强弱还与接 触界面端的形状以及材料的不同组合都是有密切关系金属环肋和有机玻璃耐压 壳的接触界面端会在奇异应力场的作用下，容易在其局部产生疲劳破坏，这将进 一步对全通透潜水器的安全性产生重大威胁3.3 稳定性问题在深海环境中，为了保证可以有足够的强度和稳定性去抵抗海洋深处的巨大 水压力，必须保证全通透潜水器的刚强度与稳定性薄壳理论、厚壳理论、耐压 壳破坏理论以及临界载荷等都是设计全通透潜水器所遵循的必要准则。
随着全通 透潜水器下潜的深度越来越深，其耐压壳承受的载荷也就越来越大，当耐压壳失 稳时所处于的状态，这个状态所承受载的荷就称为失稳的临界压力因而保证有 机玻璃耐压壳的稳定性是非常必要的由于全通透潜水器的耐压壳与金属环肋连 接，还有一部分与生命保障装置连接，所以会对有机玻璃耐压壳的刚度和稳定性 产生影响在过去的一段时间，工程师等研究耐压壳的的屈曲应力，一般是通过 传统的定值法或潜艇设计准则，来获得临界状态下的失稳载荷值但是由于材料 一般是有初始缺陷的，考虑非线性屈曲分析也是很有必要的在按照传统的方法 去计算临界载荷就会出现较大的误差，会对潜水器的安全产生重大误判4 总结本文着重分析了有机玻璃耐压壳的结构形式、构造特点以及关键力学问题， 有机玻璃常用于深海作业，研究其力学特性是为了进一步提高潜艇的安全性，从 而抵抗海航的巨大水压力，为全通透潜水器的进一步发展提供方法参考参考文献［1］张志林.飞机座舱透明件设计理论及应用.［博士论文］.南京:南京航天航 空大学,2005［2］刘道启，胡勇，王芳等 .载人深潜器观察窗的力学性能 .船舶力学，2010 14(7):782-788[3] 中国船级社.潜水系统和潜水器入级与建造规范.北京:人民交通出版社,1996。