波纹管用于水下仪器设备压力平衡的力学性能分析

　　0　引言

　　在深海(3000m以下)环境下进行作业的水下仪器设备会面临海水的大压力问题，压力平衡(压力补偿)技术是解决这一问题的有效途径[1]。目前，国内外的压力平衡技术主要是利用性元件(如膜片、软囊、波纹管等)在水压力作用下产生弹性变形，使得充油(压力平衡用油液)的水下仪器设备内部的油压与外部海水的压力趋于平衡，仪器设备的壳体承受的压差减从而可以减小仪器设备壳体的壁厚，使仪器设备变得轻巧[2]。

　　文献[3-4]将波纹管用于在高温高压环境下工作的石油测井仪器的压力平衡;文献[5]将波纹管与外置弹簧相串联，用于深海水下液压系统的不间断液压源;文献[6]提出了一种发明专利，将波纹管用于在深海环境下使用的蓄电池的压力平衡。但这些文献均没有对波纹管在深海大压力作用下的力学特性作进一步分析。

　　在深海大压力环境下，仪器设备内部的油液将产生不可忽略的较大压缩，使压力平衡用波纹管产生大挠度变形，这一变形会抵消掉一部分水压，从而导致仪器设备的内外压力之间存在一个压差。这一压差的存在会导致水下仪器设备产生压缩变形，如果压差过大，有可能使仪器设备的壳体遭到破坏。同时，波纹管的性能取决于其波型参数，波纹管的压力平衡能力与波型参数之间也必然存在一定的关系。因此，有必要对波纹管在深海大压力环境下的力学性能进行深入研究和分析，找出其内外压差与仪器设备的结构以及波型参数之间的关系，为改善波纹管的压力平衡效果、改进水下仪器设备的结构设计提供理论依据。本文采用非线性有限元方法，基于液体的可压缩性，分析了波纹管在深海大压力环境下的非线性力学行为，提出了仪器设备内外压差的计算方法和计算流程，研究了波纹管的压力平衡能力与相关因素之间的关系，总结了波纹管式压力平衡结构的设计原则。

　　1　波纹管式压力平衡原理简介

　　波纹管式压力平衡结构如图1所示。假设仪器设备的外形为圆柱形，仪器内部充满压力平衡用的绝缘油液。在上端盖的中心留有通孔，该通孔与波纹管内部相通，外部海水经由通孔进出波纹管内部。波纹管的一端固定在仪器的上端，另一端在压差的作用下可自由伸缩。由于波纹管与内部油液之间没有间隙存在，故波纹管随油液的体积变化而产生变形，且波纹管的体积变化量与油液的体积变化量相同。当海水压力增大时，波纹管受内压产生拉伸，油液的体积变小，压力增大，自动与外部海水压力相平衡;当海水压力减小时，波纹管受外压产生压缩，油液的体积变大，压力减小，最终达到与外部海水压力相平衡。