随着科技的迅速发展，人们对生活品质的要求也日渐提高。人们不再局限于日常生活和工作，在闲暇之余，人们倾向于去旅行，去探索一个新奇未知的世界。地球是一个蓝色的星球，海洋覆盖了地球表面积的71%，远远超过了我们所生活的陆地面积^[1]。海洋深不可测，它蒙着一层神秘的面纱，平静的表面下蕴含着巨大的生物和矿产资源，那是一个我们涉及未深的新世界。

很多年前，在技术还不具备的时候，我们无法踏入海洋深处。但是，随着科技水平的发展进步，潜水器雏形慢慢呈现。水下航行器发展前期主要用于军事领域和水下资源开发方面^[2]。早期的潜水器的形态十分简单，被称为“潜水钟”。直至1964年，世界第一艘民用观光潜水器“Auguste Piccard”在日内瓦湖上亮相，引起了全世界人民的广泛关注，水下旅游观光产业随之拉开序幕。瑞士的“Auguste Piccard”可承载40名乘客和4名船员。到了20世纪80年代中后期，观光潜水器迎来了黄金时代。1986年28客位的观光潜水器Atlantis问世，开启了现代观光潜水器的新时期。同年，Mobimar公司设计出46客位的MarkⅡ，在此基础上又研发出48客位的MarkⅢ型。该公司陆续研发出MarkⅣ、MarkⅤ，其中MarkⅤ电池容量有显著提升^[3]。

我国的观光潜水器产业起步较晚，20世纪90年代才开始进入这个领域，但是在“八五”、“九五”、“十五”这三个五年计划期间在载人潜水器技术的研究、开发和应用方面取得了较大进步，积累了宝贵的经验^[4]。1996年武昌船厂制造出40客位的观光潜水器“航旅一号”。2004年武昌船厂制造出48客位的“天清号”。同年，大连造船厂制造出48客位的“海泰一号”和“海泰二号”。载人潜水器产业持续发展到2019年，这在很大程度上是由强大的市场趋势和技术推动的^[5]。我国观光潜水器设计制造起步虽晚，但基础较好。但在制造标准、规范、运营管理和法规等方面还存在缺陷，限制了我国观光潜水器产业的发展^[3]。

本选题主要着重于观光潜水器的结构设计。潜水器耐压壳体的结构形式一般为圆柱体、球体、椭球体^[6]或其组合形式，如交叉球体^[7]。任何形式的潜水器在水下航行都需要承受水下压力，耐压壳体是保证人员安全与设备系统正常运行的重要屏障，所以耐压壳体必须满足强度设计的要求^[2]。耐压壳体应力的分析方法主要有理论计算、规范校核、有限元计算。目前国内外许多学者针对球壳提出了稳定性计算公式，主要有Berch公式、德川公式、卡门-钱学森公式、美国海军耐压球壳设计公式、俄国实际临界压力公式、郑衍双临界压力公式等^[8]。刘涛通过在Von-Mises公式中引入非弹性段的材料弹性模量,从而计及了材料弹性模量与应力之间的非线性关系,考虑了材料非弹性影响，提出了耐压壳体屈曲压力的一个计算公式^[9]。赵均海基于俞茂宏统一强度理论分析了厚壁圆筒和厚壁球壳的极限荷载，并得出了统一解，该解适用于拉压强度相等和不相等的材料,充分发挥材料性能^[10]。黄进浩针对潜水器环肋圆柱壳耐压结构，分析比较了CCS、RUS、ABS、GL 各船级社潜水器规范中安全系数、强度计算方法、稳定性计算方法和允许工作压力控制要求，结合3 个算例，总结了各规范的设计计算特点，分析结果可为修改完善我国潜水器设计规范提供参考^[11]。除了理论计算法和规范设计法之外，随着计算机的迅速发展，有限元分析方法也逐渐成为设计产品强有力的工具。目前行业里主要使用的有限元分析软件有ANSYS、MSC.Patran/Nastran、ABAQUS和I-DEAS等^[12-13]。已经有很多人用有限元分析的方法对耐压壳体的强度稳定性展开了研究。王仁华拟合出钛合金材料曲线，采用泰勒水池公式计算和有限元计算的方法，并对这两种计算结果进行了对比分析，应用泰勒水池公式的思想对有限元分析结果进行了修改，能较好地评估耐压壳体的极限承载力^[14]。李碧良基于非线性有限元方法,对大深度载人潜水器耐压球壳的非线性稳定性进行了研究,考虑了加工过程造成的不圆度、材料屈服引起的应变强化呈现的材料非线性、以及壳体整体屈服产生的塑性大变形而表现的几何非线性等因素的影响^[15]。潘涛分别按照CCS、ABS、GL潜器设计规范计算耐压壳体的强度并与有限元计算结果进行了对比分析^[16]。

2. 研究的基本内容与方案

（1）依据CCS《潜水系统与潜水器建造与入级规范》2013规范和船舶行业标准，对70P载人观光潜水器进行设计；

（2）完成潜水器的总体布置，结构设计估算；

（3）运用有限元软件对其结构强度进行分析；

（4）完成总布置图，基本结构图、典型横剖面图绘制。