CC BY-NC
62
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-3-397-56-64 УДК 629.5.018+551.46.077
, Д.В. Линёв , В.В. Осипенко, Г.А. Тумашик
ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
О СОЗДАНИИ ИСПЫТАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОВЕРКИ ПРОЧНОСТИ И ГЕРМЕТИЧНОСТИ ПОДВОДНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРЕДЕЛЬНЫХ ГЛУБИН МИРОВОГО ОКЕАНА
Объект и цель научной работы. Объектом работы является модернизация уникального наземного гидробарического стенда ДК-600 Крыловского государственного научного центра (КГНЦ), предназначенного для проведения испытаний на прочность и герметичность объектов глубоководной техники при внешнем давлении 90-100 МПа. Цель работы - обеспечение сдаточных испытаний штатных прочных корпусов и оборудования перспективных обитаемых автономных сверхглубоководных аппаратов (АСГА) с максимальной рабочей глубиной погружения до 11 500 м. При этом в соответствии с мировым опытом создания обитаемых глубоководных аппаратов (ГА) требуется испытательное давление порядка 135-140 МПа.
Материалы и методы. С использованием современных численных методов (метода конечных элементов) выполнены предварительные расчеты прочности и обоснован выбор конструкционного материала - стальные свариваемые поковки категории прочности 750-800 МПа.
Основные результаты. Предложены способ и устройство («Капсула ДК-600»), обеспечивающие проведение указанных испытаний за счет введения в рабочее пространство док-камеры ДК-600 с давлением 85-90 МПа специальной разъемной промежуточной Капсулы, внутри которой, в свою очередь, может быть создано давление 135-140 МПа, воздействующее на размещенный в ней объект испытаний с наружными поперечными габаритами до 2400 мм. Заключение. Представлены результаты поисковой работы, направленной на техническую модернизацию уникального наземного гидробарического стенда, которая выведет стенд на передовые позиции в мире в плане испытательного давления для проверки прочности и надежности средств освоения глубин Мирового океана при габаритах прочных корпусов в пределах 2400 мм.
Ключевые слова: гидробарический стенд, док-камера, прочный корпус, автономный сверхглубоководный аппарат. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-3-397-56-64 UDC 629.5.018+551.46.077
, D. Linev , V. Osipenko, G. Tumashik©
Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
ON DEVELOPMENT OF TEST EQUIPMENT FOR STRENGH AND LEAK TESTS OF SUBMERSIBLES DESIGNED TO PROBE EXTREME DEPTHS OF WORLD OCEAN
Object and purpose of research. The object of study is an upgradation of the unique land-based pressure tank DK-600 of Krylov State Research Centre designed to test underwater technologies for strength and leak under external pressures from 90 to 100 МРа. The purpose is to support acceptance tests of pressure hulls and equipment for advanced manned autonomous submersibles of extreme diving depths to 11 500 m. In accordance with the world practices in development of deepwater submersibles it is required to achieve pressures of about 135-140 МРа.
Для цитирования: Балдычев В.С., Линёв Д.В., Осипенко В.В., Тумашик Г.А. О создании испытательного оборудования для проверки прочности и герметичности подводных технических средств исследования предельных глубин Мирового океана. Труды Крыловского государственного научного центра. 2021; 3(397): 56-64.
For citations: Baldychev V., Linev D., Osipenko V., Tumashik G. On development of test equipment for strengh and leak tests of submersibles designed to probe extreme depths of World Ocean. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2021; 3(397): 56-64 (in Russian).
В.С. Балдычев
V. Baldychev
Materials and methods. С использованием современных численных методов Preliminary calculations of strength are performed using up-to-date numerical methods (FE analysis), the choice of structural material is validated as weldable steel forgings, strength category 750-800 MPa.
Main results. The procedure and setup are suggested (Capsule DK-600) to provide the said tests by placing a special split-type intermediate Capsule capable to generate 135-140 MPa on the test object inside the pressure tank DK-600 with pressures of 85-90 MPa. The Capsule can accommodate a test object of up to 2400 mm (transverse dimension).
Conclusion. Results of an exploratory design study are presented to upgrade the unique land-based pressure tank, which would put the KSRC hydrobaric tank at the world forefront in terms of proof pressures for testing the strength and reliability of extremely deep diving submersibles measuring within 2400 mm (transverse dimension). Keywords: hydrobaric tank, pressure tank, autonomous extremely deepwater submersible. The authors declare no conflicts of interest.
К настоящему времени проблема создания автономных обитаемых сверхглубоководных аппаратов, предназначенных для исследования предельных океанских глубин, приобретает все большую актуальность. Сверхглубоководными, по-видимому, можно называть аппараты с максимальной рабочей глубиной погружения порядка 11 000 м, существенно отличающиеся по данному параметру от обита-
емых ГА с глубиной погружения 6000-7000 м, построенных в последние десятилетия рядом стран, являющихся лидерами освоения Мирового океана (США, Россия, Франция, Япония и Китай).
Известные погружения на дно Марианской впадины акванавтов Ж. Пикара и Д. Уолша в 1960 г. на 10 916 м (рис. 1), Д. Кэмерона в 2012 г. на 10 908 м (рис. 2) и В. Весково в 2019 г. на 10 928 м (рис. 3)
Прочный корпус:
■ наружный диаметр ёнар = 2180 мм
■ внутренний диаметр dsn = 1940 мм
Рис. 1. Конструктивная схема обитаемого глубоководного аппарата Trieste (1960 г., Жак Пикар и Дон Уолш) [3, 4]
Fig. 1. Structural diagram of the manned deep-sea vehicle Trieste (1960, Jacques Piccard and Don Walsh) [3, 4]
Прочный корпус:
■ наружный диаметр d^ = 1100 мм
■ внутренний диаметр dBYi = 970 мм
Рис. 2. Конструктивная схема обитаемого глубоководного аппарата Deepsea Challenger (2012 г., Джеймс Кэмерон) [5]
Fig. 2. Structural diagram of the manned deep-sea vehicle Deepsea Challenger (2012, James Cameron) [5]
Прочный корпус:
■ наружный диаметр = 1500 мм
■ внутренний диаметр ^вн = 1320 мм
■ макс. габаритный размер ^макс ~ 1700 мм
характеризуются, несмотря на большой общественный резонанс, лишь кратковременным пребыванием исследователей на максимальной глубине. Исключением можно считать погружения китайского обитаемого аппарата «Фэньдоучжэ» (рис. 4) на глубину свыше 10 000 м, совершенные в конце 2020 г., но, к сожалению, информация о технических характеристиках этого аппарата весьма ограничена.
Рис. 4. Общий вид аппарата «Фэньдоучжэ» [7]
Fig. 4. General view of the apparatus Fendouzhe [7]
По-настоящему эффективные исследования наибольших глубин океана возможны с использованием обитаемых АСГА другого класса, отличающихся от специально созданных для выполнения рекордных погружений гораздо большей автономностью и оснащенностью новейшими средствами управления аппаратом и наблюдения за состоянием окружающей среды.
Практика эксплуатации автономных ГА с глубинами погружения до 7 км подтверждает их принципиальную пригодность к выполнению исследовательских операций на предельных глубинах океана при аварийной автономности на уровне 72 ч. и нахождении на борту 2-3-х акванавтов, размещенных в прочном сферическом корпусе с внутренним диаметром 2100 мм.
Важнейшим условием, подтверждающим достаточную эксплуатационную надежность обитаемых ГА, является соблюдение требования классификационных обществ [1], предписывающего проведение испытаний штатных прочных конструкций ГА внешним давлением, превышающим максимальное рабочее на определенный коэффициент (рис. 5, 6). До последнего времени реализация указанного требования не являлась камнем преткновения, поскольку создатели ГА располагали соответствующим испытательным оборудованием, например док-камерой ДК-600 КГНЦ, способной обеспечить проведение гидравлических испытаний внешним давлением до 100 МПа (рис. 7, см. вклейку).
Рис. 5. Подготовленный к сдаточным испытаниям прочный корпус глубоководного аппарата «Русь» (с фрагментом наружного корпуса)
Fig. 5. The pressure hull of the deep-sea vehicle Rus prepared for acceptance tests (with a part of the outer hull)
Рис. 3. Общий вид и вид в разрезе обитаемого глубоководного аппарата Triton (2019 г., Виктор Весково) [6]
Fig. 3. General view and sectional view of the manned deep-sea vehicle Triton (2019, Viktor Veskovo) [6]
Рис. 6. Стенд ДК-600 и подготовленный к сертификационным испытаниям Российского морского регистра судоходства прочный корпус глубоководного аппарата «Мир»
Fig. 6. Pressure tank DK-600 and the pressure hull of the deep-sea vehicle Mir prepared for certification tests of the Russian Maritime Register of Shipping
Внутренний диаметр док-камеры - 3200 мм, длина рабочего пространства - 9,5 м. Важным событием для испытательной лаборатории явилось проведение в 2005 г. успешных сертификационных испытаний прочного корпуса китайского аппарата Лао1о^ [2] с рабочей глубиной 7 км.
Перспектива создания исследовательских АС-ГА с глубиной погружения до 11,5 км поставила перед специалистами заинтересованных предприятий сложную задачу в части проведения сдаточных испытаний прочного корпуса и других прочных модулей указанных объектов на прочность и герметичность. И решения здесь два. Первое - построить новую док-камеру с внутренним диаметром 3 м и максимальным рабочим давлением 140 МПа. В этом случае потребуется значительное финансирование (по экспертным оценкам - не менее 10 млрд руб.), разработка уникального проекта наземного гидробарического стенда с док-камерой, подготовка производства для изготовления многотонных кованых заготовок для элементов док-камеры и их механической обработки (данные работы выходят за пределы возможностей современных металлургических и машиностроительных заводов), оснащение комплектующими и насосами сверхвысокого давления и, наконец, длительные работы по постройке специального здания, монтажу и вводу в строй не имеющего аналогов испытательного оборудования общим весом более 5000 т.
Второе решение - модернизация стенда с ныне действующей и самой мощной в мире док-камерой ДК-600 (рис. 8) путем использования в ее рабочем пространстве специально изготовленной промежуточной прочной Капсулы, в которую помещают штатный прочный корпус ГА, предназначенный для эксплуатации на глубинах до 11,5 км.
В этом случае внутри прочной Капсулы можно создать давление 135-140 МПа при наличии гидравлического давления внутри док-камеры на уровне 85-90 МПа. Тем самым промежуточная Капсула должна выдерживать (с необходимым запасом) внутреннее давление в 50 МПа, что принципиально достижимо, если изготовить Капсулу из стали с пределом текучести 800 МПа. Данная идея в свое время была предложена выдающимся специалистом в области прочности конструкций подводной техники, д.т.н. В.М. Рябовым, почти 60 лет проработавшим в КГНЦ. Детальная разработка, направленная на практическую реализацию способа проведения прочностных испытаний и проверку герметичности объектов подводной техники с глубиной погружения 11,5 км выполнена авторами
настоящей статьи. На данное техническое решение получен патент РФ № 2704563 от 29.10.2019 (рис. 8) [8]. Испытания осуществляются с помощью предлагаемого устройства следующим образом.
Открытую нижнюю часть промежуточной прочной Капсулы 1 устанавливают на опорное основание 7 внутри док-камеры 3; подготовленный к испытаниям объект 2 размещают в полости Капсулы, в которую при необходимости также вводят практически несжимаемые тела 17. Причем вводят их в таком объеме, чтобы максимальный объем вводимой после этого жидкости до начала подъема в ней давления не превышал определенного значения (что исключит перегрузку док-камеры в случае разгерметизации Капсулы). Данный объем определяется по специально выведенной формуле (1). После чего, герметично закрыв Капсулу верхней ее частью 10 с замковым устройством 8 и ее проем 12 крышкой 11, подсоединяют к разъемам (на рисунке не показаны) трубопровод 16 для подачи в полость Капсулы жидкость и линию связи 18, соединяющие измерительные средства и датчики потери герметичности (на рисунке не показаны) на испытуемом объекте 2 с регистрирующей аппаратурой 19. Затем
Рис. 8. Способ проведения прочностных испытаний в док-камере с применением промежуточной Капсулы
Fig. 8. Method for carrying out strength tests in pressure tank using an intermediate Capsule
1 - промежуточная прочная Капсула фнар = 3100 мм);
2 - испытываемый объект (^нар = около 2400 мм);
3 - корпус первичной док-камеры (ДК-600);
4 - герметичная крышка док-камеры;
5 - рабочий проем док-камеры;
6 - торцевые сферические части Капсулы;
7 - опорное основание Капсулы;
8 - герметичное замковое устройство Капсулы;
9 - цилиндрическая часть Капсулы;
10 - верхняя съемная часть Капсулы;
11 - герметичная крышка технологического проема Капсулы;
12 - технологический проем Капсулы;
13 - источник высокого давления для подачи рабочей жидкости в док-камеру;
14 - источник высокого давления для подачи рабочей жидкости в Капсулу;
15 - трубопровод от насоса в док-камеру;
16 - трубопровод от насоса в Капсулу;
17 - практически несжимаемые тела;
18 - линии связи с измерительной аппаратурой;
19 - измерительная аппаратура
Капсулу полностью заполняют жидкостью. Далее, предварительно подсоединив линии связи 18 на крышке док-камеры 4 к кабельным разъемам док-камеры (на рисунке не показаны) и подсоединив трубопроводы 16 и 15, связанные с источниками высокого давления 14, 13 для подачи жидкости в полости Капсулы и док-камеры соответственно, ее герметично закрывают крышкой док-камеры. После этого подсоединяют к ее разъемам (на рисунке не показаны) линии связи 18, соединенные с регистрирующей аппаратурой 19, и в герметично закрытые Капсулу и док-камеру закачивают по трубопроводам 16 и 15 жидкость, повышая в них гидростатическое давление. Причем повышение давления осуществляется так, чтобы давление в Капсуле было равно или больше, чем действующее на нее внешнее давление в док-камере. Затем, доведя гидростатическое давление в док-камере до расчетного значения, повышают гидростатическое давление в полости Капсулы с испытуемым объектом до требуемого значения Рисп. При этом на заранее выбранных ступенях подъема давления регистрируют параметры напряженно-деформированного состояния объекта и показания датчиков (на рисунке не показаны), фиксирующих возможное нарушение герметичности испытуемого объекта. Сброс давления в Капсуле и док-камере осуществляют так, чтобы в процессе сброса давление в Капсуле было больше или равно давлению в док-камере.
Объемы рабочей жидкости в Капсуле и в первичной камере определяются из соотношения
V2 _ F ( k • ^спец ) - F ( Pl) V _ F ( P2) - F ( k • ^спец )'
(1)
где У2 - максимальный объем рабочей жидкости в промежуточной Капсуле до начала подъема в ней давления, равный внутреннему объему Капсулы за вычетом наружного объема испытываемого объекта и суммарного объема загруженных в нее практически несжимаемых тел; У1 - внутренний объем первичной камеры высокого давления за вычетом наружного объема Капсулы; к - коэффициент безопасности (к < 1); ^хспец - максимальное специфи-кационное испытательное давление для первичной камеры в статическом режиме нагружения; Р1 -испытательное давление внутри первичной камеры при проведении испытаний с использованием Капсулы (Р1 < кР1спец); Р2 - требуемое максимальное испытательное давление внутри Капсулы (Р2 > к Р1спец); Як-Р1спец), ЯРО, ЯР2) - значения относительного увеличения плотности жидкости при давлениях кР1спец, Р1 и Р2 соответственно.
Представленные способ и принципиальная конструкция устройства для испытаний подводной техники внешним гидростатическим давлением до 135-140 МПа позволят применительно к стенду ДК-600 обеспечить сдаточные испытания штатных
корпусов ГА с наружными поперечными габаритами до 2400 мм.
Предварительные проработки показывают, что проектирование Капсулы, ее изготовление, монтаж и аттестацию стенда ДК-600 при работе с соответствующей промежуточной Капсулой в современных российских условиях можно осуществить за 3-3,5 года.
Таким образом, для проведения испытаний прочных корпусов необходимо оснастить гидробарический стенд ДК-600 специальной разъемной обо-лочечной Капсулой, имеющей форму цилиндра, длиной, близкой к рабочей глубине ДК-600, и поперечными габаритами, обеспечивающими при ее размещении внутри ДК-600 зазоры для безопасной крановой загрузки и выгрузки, в т.ч. с учетом вероятного повреждения Капсулы в процессе испытаний. Капсула должна иметь опорное основание для установки на дно ДК-600 быстро собирающуюся (разборную) с основной конструкцией Капсулы верхнюю часть - герметичную крышку с люком для прохода персонала стенда внутрь Капсулы. Сообщение полостей док-камеры и Капсулы с соответствующими насосными станциями осуществляется с помощью отдельных трубопроводных систем.
За стадией разработки принципа использования вкладной Капсулы в рабочем пространстве ДК-600
и ее конструктивного облика последует не менее сложная стадия детальной отработки основных элементов Капсулы, узлов и устройств, обеспечивающих ее загрузку, прочное и герметичное закрытие, а также приспособлений, позволяющих предотвратить аварийные ситуации в случаях вероятного, несанкционированного разрушения или нарушения герметичности испытываемого объекта, повреждения трубопроводной системы и пр.
В качестве основного конструкционного материала предложено использовать кованые кольцевые и плоские круговые заготовки толщиной стенок до 250 мм из свариваемой стали категории прочности 800 МПа.
Детально проработанная конструкция Капсулы нашла отражение в патенте на устройство № 2723634 от 18.06.2020 [9] (рис. 9). Капсула представляет собой разъемный толстостенный цилиндр, верхняя часть (крышка) которого выполнена в виде усеченного конуса, герметично установленного на кольцевой опоре, размещенной на кольцевом буртике прилива, образованного на внутренней поверхности основной части Капсулы. Крышка, после ее установки, фиксируется стальной кольцевой разрезной шпонкой в виде отдельных сегментов, имеющих повышенную твердость по сравнению со стенками
1 - промежуточная прочная Капсула (0нар - 3100 мм);
2 - испытываемый объект (0нар ^ 2400 мм);
3 - корпус первичной док-камеры (ДК-600);
4 - герметичная крышка док-камеры;
5 - рабочий проем док-камеры;
6 - нижняя часть Капсулы;
7 - нижний торец сферообразной формы;
8 - верхняя съемная часть Капсулы;
9 - коническая оболочка;
10 - кольцевая опора;
11 - круговой буртик;
12 - прилив;
13 - разрезная кольцевая шпонка;
14 - совокупность сегментов;
15 - опорное основание Капсулы;
16 - прочные связи;
17 - технологический проем Капсулы;
18 - герметичная крышка технологического проема Капсулы;
19 - разрывные тяги крышки;
20 - ряд силовых колец;
21 - практически несжимаемые тела;
22 - трубопровод от насоса в Капсулу;
23 - трубопровод от насоса в док-камеру;
24 - трубчатая магистраль с атмосферой через установленный в магистрали аварийный клапан;
25 - линии связи с измерительной аппаратурой;
26 - регистрирующая аппаратура
26
Рис. 9. Конструктивный облик Капсулы ДК-600: a) основные элементы; b) верхняя часть с разъемной крышкой
Fig. 9. Constructive appearance of ЭК-600 Capsule: a) main elements; b) upper part with split cover
корпуса Капсулы, при этом верхняя часть (крышка) связана со штатной крышкой технологического проема док-камеры ДК-600 прочными связями. Также верхняя часть Капсулы имеет проем с люком, герметично закрываемым снизу усиленной крышкой, выполненной в виде сферического сегмента, которая оборудована удерживающими крышку люка с наружной стороны тягами, прикрепленными к верхнему торцу ограничивающего проем комингса. Наряду с проемом крышка Капсулы имеет вварные детали, через которые проходят трубопроводы и кабельные вводы различного назначения.
Полость Капсулы сообщена трубчатой магистралью с атмосферой через установленный в ее наружной части аварийный клапан, срабатывающий на открытие при определенном повышенном давлении.
У основной (нижней) части Капсулы имеется ряд подкрепляющих цилиндрическую часть неприварных силовых колец из стали категории прочности 1200-1300 МПа. Внизу Капсулы имеется закрываемое отверстие для слива воды.
Наличие кольцевой опоры на внутренней стенке Капсулы и разрезной кольцевой шпонки, имеющей повышенную твердость и прочность, позволяет надежно зафиксировать в прижатом состоянии герметичную зону стыковки верхней и нижней частей Капсулы высокого давления, обеспечить необходимую герметичность в месте стыковки и предотвратить возможность повреждения узла соединения верхней и нижней частей Капсулы.
Варианты применения радиальных клиньев (сухарей) для обеспечения фиксации крышки - затворного устройства рассматривались в ряде конструкций [10], а также при создании камеры высокого давления в 1972 г. [11]. Однако в нашем случае в связи со значительными размерами внутреннего диаметра необходимо применение разрезной кольцевой шпонки (в виде совокупности отдельных сегментов). Разрезная шпонка также более удобна при монтаже для фиксации верхней части Капсулы, герметично устанавливаемой на кольцевой опоре.
Подвешивание верхней части Капсулы на прочных связях, прикрепленных к затворному устройству технологического проема док-камеры ДК-600, позволяет предотвратить возможность движения крышки Капсулы вниз и среза буртика прилива внутри Капсулы в случае резкого снижения в ней давления в результате возможного разрушения испытуемого под высоким давлением технического объекта.
Усиленная крышка люка Капсулы удерживается с наружной стороны тягами, прикрепленными
к верхнему торцу усеченной конической оболочки. Это необходимо для предотвращения падения крышки люка внутрь Капсулы в случае падения внутреннего давления.
Введение в состав основной части Капсулы ряда подкрепляющих колец позволяет повысить устойчивость корпуса Капсулы в случае резкого падения в ней давления, связанного с возможным разрушением испытуемого объекта.
Сообщение внутреннего пространства Капсулы трубчатой магистралью с атмосферой через установленный в магистрали аварийный клапан, предусмотренный на выдерживание повышенного расчетного давления, создаваемого внутри Капсулы, позволяет предотвратить ее повреждение (разрушение) в случаях нештатного сочетания давлений внутри ДК-600 и Капсулы.
В процессе общего проектирования Капсулы ДК-600 выполнен комплекс расчетно-аналитичес-ких проработок, в результате которых показано, что ее строительство способны обеспечить современные металлургические предприятия, оснащенные оборудованием для изготовления крупногабаритных кованых заготовок из свариваемой стали категории прочности 800 МПа, массой до 60 т и толщиной до 300 мм, а также предприятия, имеющие оборудование для механической обработки и автоматической сварки элементов Капсулы большой массы и толщины.
К ключевым вопросам создания Капсулы относится оптимизация ее конструкции с учетом следующих ограничивающих параметров (рис. 10, см. вклейку), а именно:
D1 - предельный внутренний габарит первичной
камеры (ДК-600); D2 - максимальный внешний габарит испытываемого объекта; tmax - максимальная толщина поковок, которую в состоянии обеспечить завод-изготовитель в современных условиях; t1 - максимальная толщина стенки Капсулы в ее верхней части, обеспечивающая свободное извлечение крышки; t2 - остаточная толщина стенки Капсулы в районе кольцевого паза, необходимая для обеспечения прочности конструкции при передаче продольного усилия от рабочей нагрузки; hmax - максимальные габариты поковок, которые в состоянии обеспечить завод-изготовитель в современных условиях; h1 - минимальная высота связи, исходящая из условия необходимой жесткости верхней части корпуса.
Рис. 16. Параметры контактного
взаимодействия шпонок и шпоночного паза при действии рабочей нагрузки
Fig. 16. Parameters for contact interaction of keys and keyslot under working load
Рис. 17. Распределение эквивалентных напряжений вдоль сварных швов Капсулы при действии рабочей нагрузки
Fig. 17. Distribution of equivalent stresses along the welded seams of the Capsule under working load
Type: Equivalent (v<
Unit: MPa
— 294,13 Max
_ 290.69
— 287,25
— 283,8
280,36
— 276,92
— 273,48
270,03
п 266,59
_ 263.15 Min
Type: Equivalent Unit: MPa —I 399.05 Max
389.22 379,38
369.55 359,72 349,89 340,06
330.23 320,4
310.56 Min
(vo i-Miîeî) Strew
Type: Equivalent (' Unit: MPa
399.63 Max 390,99 382,34 373,7 365,05 356.4L 347,76 339,12 330,47 321.83 Min
Type: Equivalent (von-Mises Unit: MPa
Сварной шов 1
Сварной шов 2
Сварной шов 3
Сварной шов 4
Рис. 19. Распределение контактных давлений между резинотканевым уплотнением и деталями конструкции Капсулы при действии рабочей нагрузки
Fig. 19. Distribution of contact pressures between the rubber-fabric seal and parts of the Capsule structure under working load
Рис. 18. Распределение эквивалентных напряжений в районе вварыша в затворном устройстве Капсулы при действии рабочей нагрузки Fig. 18. Distribution of equivalent stresses in the area of the weld in the shutter device of the Capsule under working load
Рис. 13. Распределение пластических деформаций при потере несущей способности по второй форме при отсутствии и наличии подкрепляющих ребер: а)Ркр= 112,5 МПа;Ь)Ркр= 149 МПа
Fig. 13. Distribution of plastic deformations in case of loss of bearing capacity in the second form in the absence and presence of reinforcing ribs: a) P = 112.5 МПа; b) P = 149 МПа
' кр ' ' кр
Рис. 14.
Распределение эквивалентных напряжений в конструкции корпуса и крышки Капсулы при действии рабочей нагрузки
Fig. 14. Distribution of equivalent stresses in the structure of the body and cover of the Capsule under working load
Рис. 15.
Распределение эквивалентных напряжений на поверхностях шпоночного паза и шпонок
Капсулы при действии рабочей нагрузки
Fig. 15. Distribution of equivalent stresses on the surfaces of the keyslot and keys of the Capsule under working load
Type: Equivalent (von-Mises) Stress Unit: MPa |—I 967.88 Max 846,92 725,96 604,99 484,03 363,07 242,1
Ш o.:
Рис. 11. Расчетные схемы нагружения Fig. 11. Design schemes of loading
Вариант 1
Вариант 2
Вариант 3
|539,27
Рис. 12. Распределение эквивалентных напряжений в корпусе Капсулы при действии расчетной нагрузки
Fig. 12. Distribution of equivalent stresses in the Capsule body under the design load
Рис. 7. Наземные гидробарические стенды ДК-600 и «ДК-1000» Fig. 7. Pressure tanks DK-600 and DK-1000
Рис. 10. Общий вид Капсулы (а) и параметризованная схема разъемного узла соединения корпуса и крышки (£>)
Fig. 10. General view of the Capsule (a) and parameterized scheme for detachable node of the hull-cover (b) connection
Рабочее давление на Капсулу эквивалентно разности внутреннего и внешнего давления (рис. 11, см. вклейку): Рраб = Рвнур - Рвнеш.
При расчете параметров основного корпуса Капсулы рассматривались различные варианты совмещения элементов толщины: по срединной, внутренней или наружной поверхностям. Выполненные расчеты (рис. 12, см. вклейку) показывают достаточно близкие результаты. В то же время для повышения несущей способности Капсулы при воздействии внешнего давления путем установки подкрепляющих прочных колец целесообразно совмещение элементов по наружным поверхностям. Следует пояснить, что случай внешнего гидростатического воздействия на Капсулу является аварийным и возможен при разрушении испытательного объекта в процессе испытаний. В качестве примера на рис. 13 (см. вклейку) показано распределение пластических деформаций при потере несущей способности корпуса Капсулы по двухволновой форме при отсутствии и наличии подкрепляющих ребер. В частности, для приведенной на рис. 13 конфигурации конструкции установка подкрепляющих ребер повышает несущую способность Капсулы на 32 %.
На рис. 14 и 15 (см. вклейку) показано распределение эквивалентных напряжений в конструкциях корпуса, крышках и шпонках Капсулы при действии рабочей нагрузки. В частности, на рис. 14 видно локальное повышение уровня напряжений в местах взаимодействия крышки и шпонок.
На рис. 16 (см. вклейку) показано контактное взаимодействие шпонки с шпоночным пазом. Видно, что в районах разрыва шпонок имеет место увеличение контактных давлений между шпонкой и шпоночным пазом.
Практический интерес представляют данные о распределения эквивалентных, растягивающих и сжимающих напряжений, возникающих в районах сварных швов конструкции корпуса и донышка Капсулы, которые могут быть использованы для оценки ресурса и трещиностойкости. Распределение величин эквивалентных напряжений в районах сварных швов представлено на рис. 17 (см. вклейку).
Не менее важным является обеспечение прочности и герметичности в районе вварышей для гер-мовводов. На рис. 18 (см. вклейку) показано распределение эквивалентных напряжений в районе вварыша в затворном устройстве Капсулы при действии рабочей нагрузки.
Помимо оценки прочности конструктивных элементов Капсулы для обеспечения ее работоспособности необходима проработка узла герметичного
соединения затворного устройства и корпуса Капсулы. Этот узел представляет собой пакет, состоящий из набора резинотканевых уплотнений и деэкструзи-онных колец. На рис. 19 (см. вклейку) показано распределение контактных давлений между резинотканевыми уплотнениями и деталями конструкции Капсулы при действии рабочей нагрузки.
В целом результаты выполненного комплекса расчетно-аналитических проработок позволяют сделать вывод о том, что прочность и герметичность Капсулы ДК-600 в процессе ее эксплуатации может быть обеспечена практически.
Список использованной литературы
1. Baldychev V.S., Osipenko V.V., TumashikG.A. Certification of deep-water submersible hulls // Proc. 22nd International Offshore and Polar Engineering Conference. Cupertino, 2012. P. 487-492.
2. Cui W. Development of the Jiaolong Deep Manned Submersible // Marine Technology Society Journal. 2013. Vol. 47, № 3. P. 37-54. DOI: http://dx.doi.org/ 10.4031/MTSJ.47.3.2.
3. Пикар О. На глубину морей в батискафе. Ленинград: Судпромгиз, 1961. 260 с.
4. Диомидов М.Н., Дмитриев А.Н. Подводные аппараты (проектирование и конструкция). Ленинград: Судостроение, 1966. 363 с.
5. Deepsea Challenge: The Sub [Electronic resource] / National Geographic // Deepsea Challenge: [site]. 2012. 2 Apr. URL: http://deepseachallenge.com/the-sub/ (Accessed: 02.06.2021).
6. Limiting Factor: full ocean depth submersible [Electronic resource] / Caladan Oceanic // The Five Deeps Expedition: [site]. URL: http://fivedeeps.com/home/techno-logy/sub/ (Accessed: 02.06.2021).
7. Парфенов В. Китайский глубоководный аппарат впервые транслировал видео из Марианской впадины [Электронный ресурс] // Naked Science: [сайт]. 2020. 30 ноября. URL: https://naked-science.ru/article/sci/ kitajskij-glubokovodnyj-apparat-vpervye-transliroval-video-iz-marianskoj-vpadiny (дата обращения: 07.06.2021).
8. Способ проведения прочностных испытаний и проверки герметичности глубоководного технического объекта, предназначенного для эксплуатации на глубинах до 11,5 км, внешним гидростатическим давлением и устройство для его осуществления: пат. 2704563 Рос. Федерация / БалдычевВ.С., Линёв Д.В., Осипенко В.В., Тумашик Г.А. № 2019106593; заявл. 07.03.2019; опубл. 29.10.2019. Бюл. № 31. 14 с.
9. Устройство для проведения прочностных испытаний и проверки герметичности глубоководного технического объекта, предназначенного для эксплуатации на глуби-
нах до 11,5 км, внешним гидростатическим давлением: пат. 2723634 Рос. Федерация / Балдычев В.С., Ли-нёвД.В., Осипенко В.В., Тумашик Г.А. № 2019143026; заявл. 18.12.2019; опубл. 18.06.2020. Бюл. № 17. 14 с.
10. Костыгов В.Е., Рябов В.М. Гидравлические камеры высокого давления. Очерки о событиях и создателях. Часть I. От идеи до проекта. Санкт-Петербург: Крыловский гос. науч. центр, 2014. 272 с.
11. Ishukura H. Outline of a High Pressure Test Tank // Trans. of the North East Coast Institution of Engineers and Shipbuilders. 1977. Vol. 94, № 1. P. 9-16.
References
1. V.S. Baldychev, V.V. Osipenko, G.А. Tumashik. Certification of deep-water submersible hulls // Proc. 22nd International Offshore and Polar Engineering Conference. Cupertino, 2012. P. 487-492.
2. W. Cui. Development of the Jiaolong Deep Manned Submersible // Marine Technology Society Journal. 2013. Vol. 47, № 3. P. 37-54. DOI: http://dx.doi.org/ 10.4031/MTSJ.47.3.2 (in Russian).
3. O. Picard. To the depths of the seas in a bathyscaphe. Leningrad: Sudpromgiz, 1961. 260 p. (Russian translation).
4. M.N. Diomidov, A.N. Dmitriev. Underwater vehicles (design and construction). Leningrad: Shipbuilding, 1966. 363 p. (in Russian).
5. Deepsea Challenge: The Sub [Electronic resource] / National Geographic // Deepsea Challenge: [site]. 2012. 2 Apr. URL: http://deepseachallenge.com/the-sub/ (Accessed: 02.06.2021).
6. Limiting Factor: full ocean depth submersible [Electronic resource] / Caladan Oceanic // The Five Deeps Expedition: [site]. URL: http://fivedeeps.com/home/techno-logy/sub/ (Accessed: 02.06.2021).
7. V. Parfenov. Chinese deep-sea vehicle for the first time broadcast a video from the Mariana Trench [Electronic resource] // Naked Science: [site]. 2020.30 November. URL: https://naked-science.ru/article/sci/kitajskij-glubo-kovodnyj-apparat-vpervye-transliroval-video-iz-marian-skoj-vpadiny (date of access: 07.06.2021) (in Russian).
8. Method for carrying out strength tests and checking the tightness of a deep-water technical object intended for operation at depths of up to 11.5 km, external hydrostatic pressure and a device for its implementation: Pat. 2704563 Ros. Federation / V.S. Baldychev, D.V. Linev, V.V. Osipen-ko, G.A. Tumashik. No. 2019106593; app. 03/07/2019; publ. 10/29/2019. Bul. No. 31.14 p. (in Russian).
9. Device for carrying out strength tests and hermeticity tests for deep-water technical object intended for operation at depths of up to 11.5 km, external hydrostatic pressure: Pat. 2723634 Rus. Federation / V.S. Baldychev, D.V. Linev, V. V. Osipenko, G.A. Tumashik.
No. 2019143026; app. 12/18/2019; publ. 06/18/2020. Bul. No. 17. 14 p. (in Russian).
10. V.E. Kostygov, V.M. Ryabov. High pressure hydraulic chambers. Essays on events and creators. Part I. From idea to project. St. Petersburg: Krylov State Research Centre, 2014.272 p. (in Russian).
11. H. Ishukura. Outline of a High Pressure Test Tank // Trans. of the North East Coast Institution of Engineers and Shipbuilders. 1977. Vol. 94, № 1. P. 9-16.
Сведения об авторах
Балдычев Владимир Сергеевыч|, ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Линёв Дмитрий Валерьевич, зам. начальника лаборатории ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (911) 215-46-77. E-mail: krylov@krylov.spb.ru. https://orcid.org/0000-0001-7312-298X.
Осипенко Виктор Владимирович, ведущий научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (812) 415-47-63. E-mail: krylov@krylov.spb.ru.
Тумашик Глеб Александрович, к.т.н., начальник лаборатории ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (812) 415-40-73. E-mail: krylov@krylov.spb.ru. https://orcid.org/0000-0003-3236-4717.
About the authors
Vladimir S. Baldychev, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158.
Dmitry V. Linev, Deputy Head of the laboratory, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (911) 215-46-77. E-mail: krylov@krylov.spb.ru. https://orcid.org/0000-0001-7312-298X. Viktor V. Osipenko, Leading Researcher, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (812) 415-47-63. E-mail: krylov@krylov.spb.ru.
Gleb A. Tumashik, Cand. Sci. (Eng.), Head of Laboratory, Krylov State Research Centre. Address: 44 Moskovskoe sh., St. Petersburg, post code: 196158, Russia. Tel.: +7 (812) 415-40-73. E-mail: krylov@krylov.spb.ru. https://orcid.org/0000-0003-3236-4717.
Поступила / Received: 19.04.21 Принята в печать / Accepted: 27.07.21 © Коллектив авторов, 2021
