舱内功能及人机工效导向的载人潜水器工作舱布局设计方法

[目的]大深度载人潜水器因球壳体积狭小带来的工作舱布局难的问题主要依靠设备的合理排布和对工作区域的优化调整来解决。以往的舱室设计多根据人体肌肉疲劳度要求进行设计,易造成设备排布过分集中或超出有限空间的现象,有可能引起设备安装、使用和维护上空间不足的问题,而注重舱内功能和人机工效这2种目标导向的设计方法则可避免这些问题。[方法]通过分析2种导向下的舱内功能系统约束与人机工效约束,提出以2种约束为基础的工作舱布局设计方法,形成针对大深度潜水器的舱室布局设计流程。以"蛟龙"号潜水器的舱内布局设计为例,按照所提出的流程进行方案设计,并利用JACK仿真分析系统等工具进行人机综合评价。[结果]结果显示,所给出的设计方案能给潜航员提供一个舒适、安全、省力的工作环境,所提出的2种导向下的布局设计方法合理有效。[结论]以舱内功能和人机工效为导向所做的方法研究解决了大深度潜水器狭小空间布局的问题,对同类多设备狭小空间的舱室布局设计有可借鉴之处。     

狭小工作舱布局优化方法

针对狭小工作舱作业空间小、时间长、无舒适性的特点,提出一种基于人体疲劳特性的布局优化方法用来减轻肌肉疲劳。首先,利用实验所得人体上肢肌肉疲劳特性值,建立三维人体运动学模型。然后,以坐标变换的方法建立手指空间坐标求解思路,得到全局坐标系中不同位置的疲劳特性值,实现人体上肢作业姿势的生理参数化定义。同时,采用专家评价法与层次分析法相结合,确定待布物的人机权重。最后,以载人潜航器舱室为例,结合蚁群算法对载人潜航器舱内主控台进行布局设计,并采用JACK软件进行模拟验证。结果表明,此布局优化方法可以缓解载人潜航器操作员的疲劳,改善载人潜航器舱室的人机环境。     

载人潜器驾驶舱人机工效评估方法研究

为了提高载人潜器驾驶舱人机工效设计的质量,有效考虑特殊环境下人的心理、生理因素的变化对人操作可靠性的影响,本文基于人机工程学构建了驾驶舱人机工效评估模型,提出作业绩效指数概念,并明确其确定方式,利用CREAM预测法预测人的不可靠性导致的人因失效概率,最终得到了驾驶舱人机工效评估值。开发了数字化评估软件,并通过某载人潜水器驾驶舱人机工效评估验证了该方法的有效性。     

载人潜器驾驶舱人机工效评估方法研究

为了提高载人潜器驾驶舱人机工效设计的质量,有效考虑特殊环境下人的心理、生理因素的变化对人操作可靠性的影响,本文基于人机工程学构建了驾驶舱人机工效评估模型,提出作业绩效指数概念,并明确其确定方式,利用CREAM预测法预测人的不可靠性导致的人因失效概率,最终得到了驾驶舱人机工效评估值。开发了数字化评估软件,并通过某载人潜水器驾驶舱人机工效评估验证了该方法的有效性。     

锥边球扇形观察窗结构的协调性分析

观察窗等开口结构作为载人潜水器设计关键技术,是载人舱设计中的难点之一.文章基于数值计算方法重点开展了锥边球扇形观察窗结构分析和协调性研究.通过对球形潜水器观察窗的理论与数值方法比较分析,验证了接触有限单元法求解观察窗结构局部强度的正确性;进而通过改变窗玻璃与窗座接触面锥角,研究锥边球扇形观察窗整体应力水平与变形的优化,以及窗玻璃与窗座凸缘之间的应力集中系数与变形系数等协调性分析.最终基于接触有限元法,结合规范设计曲线,即可方便进行锥边球扇形观察窗结构的设计优化和工程应用.     

大深度载人潜水器舱室噪声研究

大深度载人潜水器舱室声学舒适性水平直接影响着潜航员的生理和心理健康,间接危及潜水器安全.本文以某大深度载人潜水器为研究对象,首先分析了载人舱噪声源的构成,并建立舱室噪声仿真计算模型,重点分析舷外设备对舱室噪声的贡献量.结果表明,舷外振动噪声源能够激起较高的舱室噪声,且振动源产生的舱室噪声级更大.本文基于统计能量方法的噪声计算结果与实测值吻合较好,说明本文建立的舱室噪声评估方法有效可行.同时,提出的相关结论能够为大深度载人潜水器舱室噪声控制方案的确定提供支撑.     

基于人因的深海载人潜水器航控界面的优化设计

深海载人潜水器的航控界面存在信息复杂、操作复杂的特征,需通过优化航控软件界面的设计流程,提升软件界面的设计质量,提高驾驶环境下人机交互的可靠性,改善潜航员的驾控体验.以某型深海载人潜水器的实际任务场景为例建立典型航行工况,阐述其航行驾控的人因需求与功能需求,对软件界面的输入端与输出端展开重要性分析,提出以功能构架、交互...     

深海潜水器载人舱结构健康监测评估系统研究

深海载人潜水器是海洋资源勘探和开发的重要装备,其载人舱球壳是保证下潜人员安全及舱内设备正常工作的基础,为及时掌握载人舱球壳在长期使用过程中的安全状态,对其进行健康监测与实时评估十分必要。本文首先对4 500 m潜水器载人舱球壳进行受力分析;然后根据球壳特征和监测需求设计载人舱球壳健康监测评估系统;对钛合金蠕变对系统测量结果的影响进行了研究分析,研究结果表明在最大工作压力下蠕变对测量结果的影响小于1%;最后给出了结构安全性评估算法函数,并用球壳静水外压试验数据对结构评估算法进行验证。     

深海潜水器载人舱结构健康监测评估系统研究

深海载人潜水器是海洋资源勘探和开发的重要装备,其载人舱球壳是保证下潜人员安全及舱内设备正常工作的基础,为及时掌握载人舱球壳在长期使用过程中的安全状态,对其进行健康监测与实时评估十分必要.本文首先对4500m潜水器载人舱球壳进行受力分析;然后根据球壳特征和监测需求设计载人舱球壳健康监测评估系统;对钛合金蠕变对系统测量结果的影响进行了研究分析,研究结果表明在最大工作压力下蠕变对测量结果的影响小于1％;最后给出了结构安全性评估算法函数,并用球壳静水外压试验数据对结构评估算法进行验证.     

马氏体镍钢用于制造全海深载人舱的可行性初探

为进一步探索深渊海沟,需要研制全海深载人潜水器。在给定设计深度下,潜水器的成功研制取决于对载人舱选材的合理性。合理选材使得载人舱的重量较小,同时,材料具备良好的综合性能使其能够承受非常高的外部压力及适应严峻的环境条件。在全海深载人舱设计过程中,马氏体时效钢以其较高的强度、良好的韧性、较好的可加工性能及热处理性能而备受关注。其中,18Ni系马氏体时效钢因具备较好的综合性能而作为全海深载人舱的备选材料,因此在载人舱设计之前需要对备选材料的综合性能进行合理的评估。该文对载人舱材料选择标准进行了探讨,以此为基础,针对18Ni系马氏体镍钢的重要性能指标进行了分析,分析结果将为后续的材料试验研究和载人舱初步设计提供理论指导。     

马氏体镍钢用于制造全海深载人舱的可行性初探（英文）

为进一步探索深渊海沟,需要研制全海深载人潜水器。在给定设计深度下,潜水器的成功研制取决于对载人舱选材的合理性。合理选材使得载人舱的重量较小,同时,材料具备良好的综合性能使其能够承受非常高的外部压力及适应严峻的环境条件。在全海深载人舱设计过程中,马氏体时效钢以其较高的强度、良好的韧性、较好的可加工性能及热处理性能而备受关注。其中,18Ni系马氏体时效钢因具备较好的综合性能而作为全海深载人舱的备选材料,因此在载人舱设计之前需要对备选材料的综合性能进行合理的评估。该文对载人舱材料选择标准进行了探讨,以此为基础,针对18Ni系马氏体镍钢的重要性能指标进行了分析,分析结果将为后续的材料试验研究和载人舱初步设计提供理论指导。     

大深度载人潜水器极限承载能力非线性有限元分析方法研究

大深度载人潜水器载人舱的极限承载能力是载人潜水器安全性的保障,在设计制造中非常关键。本文基于非线性有限元方法,对大深度载人潜水器球形载人舱极限承载能力进行了分析计算,提出了大深度载人潜水器球形载人舱极限承载能力非线性有限元计算中的影响因素;并与极限承载能力设计新公式计算结果进行对比,验证了本文非线性有限元分析方法和设计新公式的广泛适用性,为大深度载人潜水器建造规范和检验指南的制定奠定了基础。     

载人潜水器马氏体镍钢载人舱设计

载人潜水器凭借优异的深海作业与探测能力,越来越多应用于海洋开发与海底资源的勘探中。我国的“蛟龙号”与“深海勇士号”载人潜水器均使用钛合金作为载人舱的耐压结构材料,而俄罗斯“和平号”载人潜水器独创地使用马氏体镍钢材料设计与制造载人舱及其他耐压罐体。对于这种超高强度钢用于载人舱的设计制造国内尚无应用经验。对马氏体镍钢载人舱的结构设计、结构计算、规范适用性进行研究,以总结马氏体镍钢用于载人潜水器耐压结构设计与计算的经验,推进其在我国深海装备领域的应用。     

海流作用下的载人潜水器作业动力学建模与仿真研究

载人潜水器在深海复杂环境下进行作业时,常受到海流的干扰.当进行采样作业时,机械手的运动也会对潜水器主体的姿态产生干扰.为了提高载人潜水器作业水平,以某型载人潜水器为研究对象,建立了海流作用下机械手运动时的载人潜水器动力学模型,对海流作用在潜水器上的水动力进行了仿真分析,研究了海流作用下机械手作业对潜水器运动特性与姿态的...     

载人深潜器观察窗的力学性能

载人球是深海载人潜水器最为关键的部件.在设计过程中,要准确了解观察窗在使用工况下的蠕变变形过程和强度变化过程,据此开展窗座设计.否则可能出现观察窗挤出窗座或者在蠕变过程中变形不协调使得密封失效,或者载人球整体抗压能力的降低.文章通过计算分析和试验两种手段,对深海观察窗的强度、蠕变、边界条件的影响进行了研究.观察窗与窗座之间的相对位移,文中认为由两部分构成:一部分是观察窗玻璃随时间的蠕变变形,另一部分为观察窗与窗座在海水压力作用下发生的挤压变形.文中采用有限元方法进行接触分析,了解在不同边界摩擦系数下,观察窗因海水压力产生的挤压变形.从加工出来的观察窗产品中,任意抽取了两套侧观察窗和两套主观察窗进行试验研究.对理论计算与试验结果进行了对比分析,相关结果可供工程设计参考.     

基于蠕变特性的耐压球壳多目标优化

本文针对载人潜器耐压球壳,在考虑了观察窗蠕变效应的基础上,设计了参数化计算流程,进行了设计变量的灵敏度分析,采用径向基神经网络建立了近似模型。进一步以临界应力、临界压力为约束,以球壳质量、主侧观察窗蠕变位移为目标,建立了多目标优化模型,采用第二代非支配排序遗传算法(NSGA-II)进行了求解。结果表明:在耐压壳体质量增加幅度不大的情况下,观察窗蠕变变形优化效果明显,大大提高了载人潜水器的安全性,为载人潜水器耐压球壳设计提供了参考。     

深海载人潜水器耐压球壳的接触有限元分析

深海载人潜水器在海洋资源勘察和深海科学研究如热液喷口研究、地球物理和地球化学等方面发挥越来越重要的作用.在载人潜水器的研制过程中,载人耐压球壳的安全性最受关注.基于对载人耐压球壳特点的分析,作者认为在出入舱口和三个观察窗部分严格来说是接触问题,应该采用接触有限元分析的方法而不是通过假定没有滑动采用传统的有限元分析.本文对接触问题的基本理论以及数值技术如搜索策略、最终的方程和算法等进行了介绍.然后采用有限元方法对一个深海载人耐压球壳的接触问题进行了分析.基于应力应变的分析结果,对摩擦系数对接触区应力分布的影响也进行了研究.分析发现在出入舱口和三个观察窗部分应力是协调的.通过对观察窗附近两种不同材料的变形协调分析也验证了观察窗设计的合理性.     

氧烛供氧在全海深载人潜水器的试验验证

全海深载人潜水器使用氧烛作为其载人舱内的供氧手段之一.为了验证氧烛的供氧性能,在氧烛的设计和验收过程中设置了多种试验,封闭空间内的载人密闭试验是这些试验中较为重要的一种.论文对氧烛在模拟载人密闭舱中进行的多次性能试验以及在全海深载人潜水器载人舱内进行的性能试验情况进行了介绍,对试验过程中载人舱室内的氧浓度数据进行分析和...     

载人潜水器艉轴穿舱密封技术

艉轴密封装置是决定载人潜水器艉轴穿舱技术可行性的关键设备,通过分析载人潜水器的穿舱轴系的组成和布置,以及常规艉轴密封装置的组成和工作原理,总结得出适用于载人潜水器的穿舱艉轴密封装置及其附属密封冷却水系统的技术方案,并针对该载人潜水器的艉轴密封装置提出密封试验系统的技术方案。通过对该技术方案的论证,认为该艉轴穿舱密封技术方案是可行的。     

深海耐压结构观察窗应力分析

大深度耐压开口结构的设计问题是深海探测装备研制过程中的关键技术问题之一。文章针对大深度载人潜水器的观察窗,从理论上给出了观察窗的应力计算方法,由此可从理论上对观察窗的结构进行优化设计,进而探索观察窗变形计算方法和蠕变计算公式。