岳东晓
泰坦号深潜器存在严重设计缺陷
2023-6-23 17:18
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6月18日,美国民间企业 OceanGate 一艘名为泰坦号的深潜器在加拿大纽芬兰附近的大西洋洋面深潜探险时失联。除导航员外,泰坦号另有四名付费游客,目标是110年前沉没的泰坦尼克号沉船,深度约4000米。此前泰坦号曾成功进行10多次类似探险。今天,搜救人员在离泰坦尼克沉船约500米处发现了泰坦号的残骸,判断该深潜器发生内爆。5名乘员分别为巴基斯坦裔英国人 Shahzada Dawood  与他19岁的儿子 Suleman Dawood,英国人 Hamish Harding , 前法国海军指挥官与深海探险家 Paul-Henri Nargeolet , OceanGate 的总裁兼导航员 Stockton Rush。也许唯一令他们家人感到安慰的是,他们并没有像人们最初想象的那样,五个人挤在在狭小的深潜器中无助地等待救援、在绝望中慢慢耗尽氧气。4000米的深度压强是400个大气压,内爆几乎是一瞬间的事,来不及感受痛苦。

看了一下泰坦号的设计,它是一个圆柱形两头加上一个半球型。我认为它存在严重的设计缺陷,违背了古罗马就知道的拱形设计原理。一般固体材料抗压应力的能力远强于抗剪应力。砖头可以徒手砍断,但能支撑起高楼就是这个道理。一根笔直铁棍很难压短,但折弯就容易多了。从微观角度也很容易理解这个差别。古罗马的拱门巧妙的将门上方的压力转换为拱形石头之间的压力而不是剪力。下面我们用圆柱形粗略分析一下。

假设圆柱形容器半径为 r, 壁厚为 d, 外部压强为 P, 我们取一块角度 $\theta$的扇形。在单位长度圆柱上,它受到向内的压力为 P *r * $\theta$。这个力可以被扇形两端的压应力 P' 抵消 (角度小时正弦~角度):

$P \times r \times \theta = 2 P^\prime \times \theta/2 \times d\\ P^\prime = \frac{r}{d} P$

这时扇形没有受到剪应力。但这个公式也表明,圆柱半径越大,管壁需要越厚。对于球壳,分析也是类似的。(上面只是粗略估算,具体计算需考虑内部应力的径向变化)

那么泰坦号的问题在哪呢?我认为其设计缺陷在圆柱艇身入口处。这里是圆柱体与半球型的交界。泰坦号的设计此处界面是垂直于艇身的。无法像圆柱中部或者球形一样将外部的压力完全转换为艇壳的压应力,而是存在将圆柱口内卷的剪力,也存在将半球口压迫的剪力。但如果将此处界面设计成楔形也不行,那样半球上的压力或者让圆柱口内卷或者将其撑开。

1.png2.png屏幕截图 2023-06-23 003541.png




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