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.     

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。     

全海深载人潜水器载人舱缩比结构模型试验研究

"十三五"期间中国提出了"深海进入、深海探测、深海开发"的海洋战略。全海深载人潜水器即是"深海进入"的重要装备,其核心部件载人舱的材料选择、设计标准、制造工艺以及结构安全评判就成为需要解决的技术问题。论文针对超高强度马氏体镍钢C250制造的载人舱缩比结构模型,进行压力筒静水压力测试;并对结构应力、极限载荷和体积收缩率进行测试,以研究超高强度马氏体镍钢应用于深海载人舱的设计、计算与制造的可行性。     

深海载人潜水器载体框架结构设计与强度分析

载体框架是用于安装固定载人舱、蓄电池、可弃压载、可调压载水舱、高压气罐和浮力块等深海载人潜水器设备的空间桁架结构,也是深海载人潜水器布放、回收和甲板系固的主要承力结构。因此,载体框架的设计应便于设备、仪器、浮力块和轻外壳的安装、拆卸与维护;并有足够的强度和刚度,以保证载人潜水器的布放和回收,以及在母船甲板上系固。在上述条件下,还应使其重量尽可能小。总结和介绍了我国正在建造的深海载人潜水器载体框架的材料选择、计算工况及设计载荷与许用应力的确定、结构型式的确定、构件的连接方式、节点的优化处理,以及结构强度的分析方法,给出了载体框架在单点回收和甲板系固两种工况下的强度分析结果,为今后研制同类型产品提供参考。     

深海载人潜水器发展现状及技术进展

本文对国内外深海载人潜水器装备的发展现状进行了综述,介绍了我国"蛟龙"号载人潜水器研制的基本情况。在此基础上,对国内外深海载人潜水器装备的特点进行了总结,并讨论了深海潜水器装备的最新技术进展。     

万米级潜水器现状及发展重点

正当前,人类正在大力对深海特别是6500米以深的深渊开展科学研究。作为深渊科考的重要工具,面向全海深的作业型万米级有/无人潜水器的研制已成为深海潜水器的重要发展方向。下潜至万米水深并不是天方夜谈,人类早在几十年前就实现了万米载人下潜,只不过当时的潜水器需要携带浮力舱,不具备作业能力和航行动力,属于第一代载人潜水器。现在建造     

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。     

深海载人潜水器的坐底分析

文章以某深海载人潜水器为例,提出深海载人潜水器坐底的计算分析方法,利用该方法对该潜水器的坐底过程进行了计算分析,最后提出一些坐底建议.文中的研究内容主要包括(1)海底为岩石地貌条件下,采用理论分析与碰撞有限元分析相结合的方法,对潜水器在不同坐底接触姿态下的坐底安全进行分析,对潜水器坐底支架的结构强度进行校核;(2)海底为软沉积物地基状态下,提出了潜水器坐底计算方法分析、坐底过程控制方法,并进行了坐底安全分析.文中还根据计算分析结果对深潜器的坐底过程提出了安全控制技术指标要求和相关建议.     

基于JACK的载人潜水器观察窗布局优化设计

为了提高载人潜水器人机工效设计的质量,有效考虑狭小工作舱下潜航员的生理舒适度,保证载人潜水器观察窗布局人机合理性。本文在载人潜水器载人舱的设计过程中应用了人机工效设计原理,利用JACK软件对载人潜水器载人舱观察窗布局进行仿真,对潜航员的工作姿态、舒适性、关节角度等进行模拟。首先将载人潜水器载人舱模型导入JACK人因分析软件中,采用第95百分位数的中国男性作为潜航员,对潜航员在载人舱内的工作姿态进行模拟,并对其进行工作姿势评估、快速上肢分析、舒适度评估、下背部分析。根据分析结果完成了相应的设计优化。     

全海深载人舱备选材料TB19的低周保载疲劳寿命和破坏模式的试验研究

全海深载人潜水器正在研制中,其载人舱材料的合理选择是保证潜水器在严峻环境中使用安全的重要因素。高强度钛合金TB19是全海深载人舱的备选材料之一,材料在使用过程中将承受高应力水平下的蠕变疲劳载荷的作用。文章对TB19的低周保载疲劳寿命和破坏模式进行了试验研究,并与已应用于在役载人舱的Ti-6Al-4V ELI材料的性能进行了对比。该研究结果可为后续全海深载人舱的选材和载人舱初步设计提供指导。     

Investigation on fatigue characteristics of transparent submersible manned cabin structure

Fatigue life prediction of transparent submersible manned cabin (TSMC) structure is investigated. Firstly, a simplified mechanical model of a cylindrical shell-hemispherical shell (CS-HS) structure is established, and the strength characteristic of the TSMC structure is gained, as well as deflections and displacements are obtained by solving the model with the non-moment theory and moment theory. Secondly, the load history of the TSMC structure is analyzed, and the load spectrum of this structure is got by analyzing and fitting the existing diving data. Finally, a method of nonlinear virtual interval division technique for the load spectrum is first presented. The predicted results have excellent agreement with the experimental data. The results show that the working depth of the large-deep deep manned cabins is within the range of 0 m–500 m, while the load history is composed of the submersible loading-uploading-unloading and payload-uplifting-unloading. In addition, the load spectrum shows that the number of dives is within the range from 299.7 m to 432.9 m. The proposed model can efficiently provide a guideline of the design and manufacturing of the transparent submersible manned cabin structure.     

深海载人潜水器耐压球壳设计特性分析

回顾了国内外深海载人潜水器载人球壳的设计现状,对国际上6 000米级载人球壳的特征进行了分析比较,并采用塑性分析方法对不同内径的钛合金载人球壳给出了设计厚度和重量特性,分别探讨了安全系数、球壳内径、体积密度、球壳重量等设计因素.     

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。     

大深度载人潜水器疲劳寿命有限元分析

载人潜水器随着使用次数的增加,将有可能导致低周疲劳破坏。为了确保载人潜水器载人球壳的安全性,必须进行载人球壳的低周疲劳寿命分析。潜水器在一些特殊的局部区域是受拉伸应力影响的,开孔处结构的特点和深水压力共同作用就产生了较大的拉应力,因此这些较大的拉伸应力在此部位易引起结构的疲劳裂纹,并且缩短使用寿命。本文首先介绍了基于有限元疲劳寿命的理论基础和分析方法,然后建立载人潜水器有限元分析模型,按极限载荷和载荷谱分别计算出的疲劳寿命,不但可靠度高,而且可以方便地修改计算参数和进行结构优化,提高了计算的准确性和运算效率,极大程度地降低了人工费用。     

考虑小裂纹和保载时间效应的疲劳可靠性分析

大深度载人潜水器的载人舱材质是高强度金属,不可避免地会受到疲劳损害现象的挑战。实际的载人舱结构中存在着由外部因素和内部因素引起的不确定性,其疲劳寿命将受到这些不确定性的影响。在前期的研究中,课题组基于统一的疲劳裂纹扩展率模型进行了疲劳可靠性分析方法的探讨,可作为进一步进行载人舱疲劳寿命预报的基础。但是,该模型无法反映小裂纹和保载时间的影响,而这正是载人舱结构和所受载荷的重要特征,应进行深入研究。所以,课题组提出了一个小裂纹扩展率模型和两个反映保载时间效应的裂纹扩展率模型,以更好地解释载人舱用钛合金金属的蠕变疲劳特性。文中基于这三个模型,结合不同的理论方法,进行了疲劳可靠性分析,考察了可靠度分析方法之间的不同、输入参数以及不同的裂纹扩展理论模型对结构的疲劳可靠性的影响。     

Design and research on a variable ballast system for deep-sea manned submersibles

Variable ballast systems are necessary for manned submersibles to adjust their buoyancy. In this paper, the design of a variable ballast system for a manned submersible is described. The variable ballast system uses a super high pressure hydraulic seawater system. A super high pressure seawater pump and a deep-sea brushless DC motor are used to pump seawater into or from the variable ballast tank, increasing or decreasing the weight of the manned submersible. A magnetostrictive linear displacement transducer can detect the seawater level in the variable ballast tank. Some seawater valves are used to control pumping direction and control on-off states. The design and testing procedure for the valves is described. Finally, the future development of variable ballast systems and seawater hydraulic systems is projected.     

深海载人平台舱室热特性的仿真与优化研究

建立了深海载人平台空调舱室传热过程的数学模型和MATLAB仿真程序,分析了典型航行工况下舱室隔热层厚度、空调设计风量及开启时长、舱内平均风速和舱内蓄热体蓄热能力4方面因素对舱内温度的影响,并根据计算结果提出优化建议。结果表明：通过调整隔热层的厚度可将定深作业阶段的舱内温度稳定在人员舒适范围,避免空调长时间运行；合理选择空调设计风量和下潜阶段的开启时长,既可以起到节能降噪的作用,又可以保证温度不超出允许范围；舱内平均风速的变化对舱内温度影响不大；增加舱内蓄热体总热容和传热面积,可以减小舱内温度波动。