0 引　言

随着我国海洋经济的快速发展，对海洋装备的需求越来越大，“十三五”规划纲要草案中更是把深海装备放在了重要位置，载人潜水器作为海洋资源勘探和开发的重要装备，将在深海研究和资源勘探中发挥更大的作用，应用也将越来越广泛。深海载人潜水器的应用使得科学研究人员能够亲身下到海底，掌握海底的形貌和资源特征，为人类进一步开辟海洋新领域起到了关键作用。载人潜水器的主要作用是搭载人员并在海底完成一定的作业，其载人舱耐压球壳是容纳乘员和机械仪表设备的平台^[1]。潜水器在下潜过程中承受巨大的海水压力，载人舱球壳必须具有足够的强度和稳定性才能抵抗住海水压力，显然载人舱耐压结构的安全性是保证潜水器正常工作的前提。在潜水器长期使用过程中，若能够对载人舱耐压球壳状态进行健康监测并实时评估，在载人舱结构出现危险倾向时及时预警，将会避免危险事件的发生，从而保证潜水器的安全使用。目前，结构健康监测技术被广泛应用于多个领域，其中大跨度桥梁健康监测与评估领域应用案例最多^{[2 – 4]}，而载人潜水器结构健康监测目前研究较少，还没有看到相关应用案例。本文首先对4 500 m潜水器载人舱进行了受力分析，确定了传感器布置方案；基于4 500 m载人潜水器载人舱的结构特征和监测需求设计了耐压球壳结构健康监测评估系统；分析了蠕变效应对结构健康监测系统测量结果的影响；给出了结构强度和稳定性安全评估算法，并应用水压试验数据对结构评估算法进行了试验验证；最后对结构健康监测系统进行了软硬件集成。

1 载人舱受力分析及传感器布置方案

4 500 m潜水器载人舱为图1所示的球壳结构，内径为2.1 m，额定乘员3人，基本参数如表1。

强度是反映载人舱局部结构安全的重要指标，为掌握球壳各部分受力状态，确定强度测点位置，需对球壳进行有限元计算分析。

对载人舱球壳结构采用体单元建立有限元模型。网格选择六面体映射网格，采用高精度单元solid45模拟。对于载荷传递节点和开口处的网格尽量细化，球壳厚度方向网格为3层，球壳最大周向网格为330个。在壳体位于x和z坐标轴的位置上（相隔90°）取3个节点：在z坐标轴上的2个节点，其uy=uz=0，在x坐标轴上的1个节点，其ux=uy=0。采用惯性释放的方法平衡惯性力。外载压力为46 MPa，出入舱口和观察窗锥面上的压力通过舱口盖和窗玻璃的压力平衡换算得到。

利用Ansys有限元软件对球壳进行受力计算，施加46 MPa压力，整球结构的等效应力云图如图2所示。

从图2中可以看出，除出入舱口开孔、观察窗窗座和穿舱件安装盘等关键位置峰值应力较大外，如表2所示，载人舱其余球壳部位应力均匀，等效合成应力约为0.54σs，σs为TC4钛合金材料屈服强度。

根据球壳应力分布情况确定载人舱强度监测主要部位为出入舱口孔座、主观察窗窗座、前侧观察窗窗座、舷侧观察窗窗座、穿舱件安装盘等位置，共计13个双向应变测点，均位于球壳内表面。

稳定性是反映载人舱整体安全性的指标，由于制造初始缺陷对结构的整体承载能力影响较大^[5]，因此本文在确定稳定性监测点位置时，选择壳体厚度最薄处、初始挠度最大2个典型位置的周向和1个赤道焊缝处的周向作为稳定性监测点，监测球壳整体相对变形量，共计3个单向应变测点，均位于球壳内表面。

2 系统设计 2.1 系统方案及工作原理

根据载人舱强度、稳定性监测需求和载人舱结构特征设计结构健康监测评估系统。如图3所示，将潜水器载人舱结构健康监测评估系统设计为一个长期布置于潜水器内部的小型化、低功耗、分布式、实时监测和自动判断耐压结构安全状态的智能化系统，该系统由多个结构应变传感器、多个数据采集器、1个监测计算机及结构健康监测评估软件组成。系统中，应变传感器安装在载人舱壳体上，为降低信号传输干扰实现应变信号就地数字转换，将数据采集器布置于应变传感器附近，应变传感器与数据采集器之间通过短信号线相连，数据采集器与监测计算机之间、数据采集器之间通过通信供电电缆相连，由通信供电电缆实现数据采集器供电及与监测计算机之间的通信。该系统通过外部通信接口接收潜水器信息平台发送的潜水器当前下潜深度数据和向信息平台发送载人舱球壳结构应力、应变监测数据和结构强度、稳定性报警信息。

系统工作原理：潜水器下潜过程中，载人舱球壳因受压会发生机械变形，安装在球壳上的结构应变传感器将感知这种机械变形量并将其转换为电信号，与传感器连接的数据采集器对电信号进行采集处理输出结构应变数字信号，并将该结构应变通过通信总线传输至系统计算机，计算机对结构应变数据和接收到的深度数据进行实时分析处理和结构强度、稳定性状态评估，当判断结构状态危险时将发出报警信息，并将报警和监测数据长期存储于数据库中。

2.2 应变传感器选型

结构应变监测技术是目前各个结构健康监测领域广泛应用的技术，其应用范围最广，同时结构应变监测是评估结构安全状态的最直接方法，因为与其他方法相比有非常低的误报概率^[6]。

目前用于结构健康监测的应变传感器主要有电阻应变片和光纤光栅。表3列出了在电阻应变测量领域和光纤光栅应变测量领域具有代表性的制造商所生产的应变计的性能参数^{[7- 8]}。

由表3可以看出，电阻应变片与光纤光栅应变计各有优缺点，电阻应变片的显著优点是量程大、尺寸小、多轴测量方便、成本低，缺点是抗电磁干扰能力相对弱；光纤光栅应变计的显著优点是不受电磁干扰、可点焊安装，缺点是量程较小、对温度敏感、成本高。基于4 500 m潜水器载人舱在最大工作压力下的结构应变达5 000 με以上，大深度下潜过程中潜水器载人舱壳体温度随深度增大变化明显，球壳应力为双轴应力等主要因素，本监测系统选择KFG型电阻应变片作为结构应变监测传感器。

2.3 数据采集器及监测计算机

如图3中所示，数据采集器是潜水器载人舱结构健康监测评估系统的基本单元，以分布式形式布置于载人舱内部不同部位，实现短距离应变模拟信号采集，最大程度降低传输线干扰，各采集器之间通过一根通信供电电缆实现级联。数据采集器基本性能参数如表4所示。

监测计算机是潜水器载人舱结构健康监测评估系统的中枢，实现监测系统所有数据的收集、存储、分析、显示、评估和报警功能，是一个集主机、显示器于一体化的小型计算机（见图4）。其基本性能参数如表5所示。

2.4 健康监测评估软件

潜水器载人舱结构健康监测评估软件安装在监测主机上，配套数据库为SQL Server，主要用于潜水器全深度范围内结构应变和深度数据采集、数据处理、显示、存储、结构强度实时评估、结构稳定性实时评估和信息外传，评估软件界面如图5所示。

3 高压力对监测系统测量结果影响分析

“蠕变”是指固体受到恒定外力作用时，其应力与变形随时间变化的现象^[9]。近些年，一些学者的研究表明工业纯钛和钛合金在常温下处于高应力状态时均有不能忽视的蠕变发生^[10]。显然，在恒定高压力下，载人舱结构健康监测系统所测量的结构应变中除包含压力引起的应变外还包含蠕变效应引起的应变，其中压力引起的应变与压力之间存在对应关系，而蠕变应变是在恒定高应力条件下，随时间增长而增长的量，当蠕变应变较大时会给结构安全性评估的正确性带来影响。图6是屈平^[11]对表1所示几何尺寸的钛合金球壳进行蠕变计算得到的不同潜深径向蠕变变形量随时间的变化关系图。从图中可以看出在相同时间下，潜深越大蠕变量越大；在相同深度条件下，时间越长蠕变变形量越大。当潜水器潜深为最大工作深度4 500 m，停留时间为最大生命支持时间120 h时，由图4可以得到球壳径向蠕变变形量约为0.025 mm。

一定潜深条件下，任意时间t球壳半径蠕变变形r^c（t）表示式如下^[11]：

${r^c}(t) = {\varepsilon ^c}(t)R \text{，}$

(1)

式中：r^c（t）为t时间球壳径向蠕变变形量，mm；t为时间，h；R为球壳半径，mm；ε^c（t）为t时间蠕变应变。

由式（1）可得到球壳蠕变应变表示式如下：

${\varepsilon ^c}(t) = \frac{{{r^c}(t)}}{R}{r^c}(t) = {\varepsilon ^c}(t)R \text{，}$

(2)

将r^c（t）=0.025 mm，R=1 050 mm代入上式可得：

${\varepsilon ^c}(t) = \frac{{0.025}}{{1050}} \approx 24{\text{μ}\text{ε} } \text{。}$

由计算可知，潜水器壳体最大蠕变应变量约为24 με。由Hooke定律可以计算出由蠕变引起的应力约为3.94 MPa，与第2节计算出的球壳部位合成应力0.54 σs相比，由蠕变引起的应力约占由压力载荷引起应力的0.84%，小于1%，可以忽略不计。需要说明是，对于可以长时间（大于3个月）停留在水下的潜水器而言，蠕变引起的应变则必须考虑。

4 结构安全状态评估技术

潜水器载人舱结构健康监测评估系统除长期监测并存储潜水器所有下潜历程的载荷与结构响应信息外，另一个重要作用是实时评估载人舱球壳的结构强度和稳定性状态，判断壳体是否安全。

4.1 载人舱结构强度安全评估算法

许多研究人员的研究成果表明^[12]，由于改变了载荷路径，在外载荷作用力下，结构损伤部位的应变分布会发生改变，因此可以通过评估实时获取的某个部位结构应变值偏离结构健康状态应变值的程度，来判断潜水器载人舱强度是否安全。基于耐压球壳应力控制标准、基础状态数学模型，并考虑健康监测系统强度监测误差不确定度影响，得到载人舱结构强度安全性评估函数^[13]：

$K = F({\varepsilon _t},{h_t},[\sigma ],3\theta ,f({h_t}))\text{，}$

(3)

其中：K为球壳监测部位强度评估函数值，K等于0时表示结构强度安全，K等于1时表示结构强异常；ε_t为强度监测部位结构实时应变值，με；h_t为潜水器实时下潜深度或压力，m或MPa；[σ]为结构强度控制应力值，MPa；θ为监测系统强度监测误差不确定度；f（h_t）为结构强度基准状态数学模型。

4.2 载人舱球壳稳定性安全评估算法

稳定性是指结构在某些受力形式下具有的平衡形式的能力，在这些受力形式下结构的平衡形式不会发生突然转变。载人舱球壳失稳会使得在壳体应力小于屈服强度的情况下发生垮塌，具有突发性，大大降低了承载能力。载人舱球壳的稳定性必须保证壳体具有平衡的能力，即各处受力一致，使整体处于受力平衡状态，而不出现一部分受力急剧增加，而另外一部分受力急剧减小，这样就失去了平衡，不能维护平衡状态。当对称球壳变形不一致时将会导致球壳失稳，变形不一致是球壳失稳的主要特征，利用合理的应变传感器布置阵列可以实现球壳稳定性实时监测与评估。基于球壳变形一致性，结构稳定性基准状态数学模型，并考虑监测系统稳定性监测误差不确定度影响，得到载人舱球壳稳定性评估函数^[13]：

$D = S({\varepsilon _t}({\varepsilon _1},{\varepsilon _2},..,{\varepsilon _n}),{h_t},3\theta ,f({h_t}))\text{。}$

(4)

其中：D为球壳稳定性评估函数值，D等于0时表示结构稳定性正常，D等于1时表示结构稳定性异常； ${\varepsilon _t}({\varepsilon _1},{\varepsilon _2},..,{\varepsilon _n})$ 为球壳稳定性监测应变传感器阵列函数，με；h_t为潜水器实时下潜深度或压力，m或MPa；θ为监测系统稳定性监测误差不确定度；f（h_t）为球壳结构稳定性基准状态数学模型。

4.3 结构安全性评估实验验证

为验证载人舱球壳结构安全评估方法的正确性，本文利用4 500 m潜水器球壳静水外压试验数据作为考核对象进行验证。4 500 m载人球壳制造完成后进行了静水外压试验，共进行了6次压力试验，其中5次最大工作压力为46 MPa，1次为极限压力，试验过程中测量了应变和压力数据，测点位置包含了球壳强度监测和稳定性监测传感器测点位置。载人舱球壳吊入直径3 m压力为90 MPa的压力筒过程如图7所示。

1）强度安全性评估

以图8出入舱口处测点A₄作为结构强度评估对象进行验证。利用5次46MPa加压试验测量的应变和压力数据计算出的A₄测点结构强度评估参数θ和基础状态数学模型f（h_t）如表6所示；利用极限压力加压过程获取的应变-压力测量数据作为实时监测数据代入结构强度评估函数式（3），评估结果如表7所示，极限压力加压过程应变-压力曲线如图9所示。

2）稳定性安全评估

稳定性监测传感器阵列位置如图10所示。利用5次46 MPa加压试验数据计算出的稳定性评估参数如表8所示，将最大试验压力加压过程中获取的稳定性监测传感器阵列数据作为实时监测数据代入稳定性评估函数（4），评估结果如表9所示，稳定性监测传感器阵列应变-压力曲线如图11所示。

结论：载人舱结构安全性评估算法给出的结构强度和稳定性评估结果与球壳实际结构状态一致，没有误报警情况发生，验证了球壳结构强度评估和稳定性评估算法的可用性。

5 系统集成

深海潜水器载人舱结构健康监测评估系统各部分研制完成后，根据载人舱传感器测点布置方案和系统设计方案对监测系统进行了软硬件集成，并在试验室进行了可靠性测试，系统实物如图12所示。

6 结　语

通过本文研究得出以下结论：

1）深海潜水器载人舱结构健康监测评估系统实物和结构安全性评估实验验证表明，本文设计的系统方案合理可行，可用于4 500 m潜水器使用过程中的结构健康监测；

2）对高压力下钛合金球壳蠕变对监测系统测量结果的影响分析表明，蠕变效应对结构健康监测系统测量结果的影响可忽略不计。