大尺寸球冠形观察窗的结构强度研究

针对载人潜水器球冠形观察窗的研制需求,对采用平板有机玻璃制作的球冠形观察窗全尺寸样机在压力筒内进行强度试验,并实时监控应变;采用接触有限元数值方法分析了不同压力下球冠形观察窗的经向和纬向应变,并与试验结果进行对比分析;基于应变分析结果,研究接触面摩擦系数和锥面下边缘倒角对球冠形观察窗位移和最大等效应力的影响。结果显示,减小接触面摩擦系数以及锥面下缘无倒角可有效减小观察窗的最大等效应力。本研究可为采用平板有机玻璃制作的球冠形观察窗的结构设计和安装提供参考。     

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.     

全海深载人潜水器用浮力材料的初步研究

目前我国有两台全海深载人潜水器和几台全海深无人潜水器和着陆器正在研制。在所有的这些深海装备中,全海深载人潜水器代表着深海技术的制高点。要设计一台全海深载人潜水器,如何来选择浮力材料就是其中的关键问题之一。文章针对全海深载人潜水器浮力材料选择过程中所涉及的各种问题开展初步研究。通过研究,获得的主要结论是,满足规范要求的1.5倍安全系数的浮力材料目前还没有。如果要降低安全系数,根据有限的试验数据的经验外插,可以把安全系数降至1.4,但需要对满足1.4倍安全系数的浮力材料开展深入的吸水率特性研究。同时,针对现有浮力材料密度过大的问题,文中提出了一种在大型浮力块中添加陶瓷球的思路,可以把密度从0.7 g/cm~3下降至0.64 g/cm~3。该文的研究可为全海深载人潜水器浮力材料的选择提供一定的理论基础。     

基于有限元模型深海潜航器观察窗受力分析

大深度载人潜航器观察窗作为驾驶员观察周围环境的窗口,其受力情况复杂,直接影响整机的安全性,针对其受力情况进行分析。在传统理论分析方法的基础上,提出适用于锥台形观察窗位移、应力分析的方法,建立相应的位移和应力的理论分析模型,对2种边界条件下的位移和应力进行分析;利用有限元分析软件,对比理论计算和有限元分析结果,分析无网格和有网格2种方法的差异与优劣;建立观察窗位移试验台,对主、侧观察窗的轴向位移开展试验研究,并对试验结果进行分析拟合,最后将试验拟合结果与理论计算和有限元分析结果进行对比。对观察窗的Fatigue Life进行分析,分析的疲劳寿命结果代入Miner理论公式中,计算大观察窗和小观察窗的疲劳损伤情况。结果表明:理论计算结果可以较好地反应观察窗上的位移分布,有限元分析结果偏大;主观察窗的使用寿命为26 432 Circle,侧观察窗的使用寿命为21 359 Circle。     

基于有限元模型深海潜航器观察窗受力分析

大深度载人潜航器观察窗作为驾驶员观察周围环境的窗口,其受力情况复杂,直接影响整机的安全性,针对其受力情况进行分析.在传统理论分析方法的基础上,提出适用于锥台形观察窗位移、应力分析的方法,建立相应的位移和应力的理论分析模型,对2种边界条件下的位移和应力进行分析;利用有限元分析软件,对比理论计算和有限元分析结果,分析无网格和有网格2种方法的差异与优劣;建立观察窗位移试验台,对主、侧观察窗的轴向位移开展试验研究,并对试验结果进行分析拟合,最后将试验拟合结果与理论计算和有限元分析结果进行对比.对观察窗的Fatigue Life进行分析,分析的疲劳寿命结果代入Miner理论公式中,计算大观察窗和小观察窗的疲劳损伤情况.结果表明:理论计算结果可以较好地反应观察窗上的位移分布,有限元分析结果偏大;主观察窗的使用寿命为26432 Circle,侧观察窗的使用寿命为21359 Circle.     

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...     

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。     

我国又一“探海神器”交付——“深海勇士”有何过人之处

中方将成为世界上第一个研制出超过万米的全海深作业型载人探测潜水器的国家。11月30日,继"蛟龙"号之后,我国第二台深海载人潜水器"深海勇士"号顺利完成结构探伤检测,正式验收交付。     

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.     

全海深载人潜水器超高强度钢制载人球壳的极限强度分析与模型试验

载人耐压舱是保证载人潜水器安全性的最核心部件,文章主要针对上海海洋大学正在研制的万米载人潜水器开展载人球壳的极限强度理论分析和模型试验研究。该载人耐压球壳采用超高强度马氏体镍钢。有限元分析包括静应力分析和屈曲分析,获得了耐压球壳的极限强度和失效模式;在此基础上,设计了模型球进行了极限破坏试验。通过有限元分析结果和试验结果对比,获得了球壳极限破坏压力失效模式和加载过程中球壳表面应变的变化历程。试验结果和有限元结果基本一致,验证了设计方法对马氏体镍钢球壳的适用性。该研究为后续全海深耐压球壳的设计提供了可靠的试验和理论基础。     

全海深潜水器水动力学研究最新进展

随着科学技术的进步,人类开始把目光投向了被称为深渊区的6500米以下的海沟。上海海洋大学深渊科学与技术研究中心(HAST)提出建造一个由3个11000米着陆器、1个11000米复合型无人深潜器和1个11000米载人深潜器组成的全海深的深渊科学技术流动实验室。对于潜水器而言,随着下潜深度的进一步增加,水动力学科将发挥更加关键的作用,如何实现快速、稳定的潜浮运动是全海深无人和载人潜水器开发过程中所需解决的关键问题之一。论文对世界范围内现有的三艘全海深载人潜水器和一艘全海深复合型无人深潜器进行论述,总结全海深潜水器开发中水动力学最新发展趋势,重点探讨潜浮运动和水动力外形优化领域的最新进展。针对HAST正在开发的全海深载人潜水器,提出了水动力学研究和设计方面的初步设想。     

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.     

氧烛在全海深载人潜水器中应用的适用性分析

在全海深载人潜水器中考虑使用氧烛作为应急状态下的供氧手段。从安全性、使用性和舒适性等角度出发,对在全海深载人潜水器密闭舱室内使用氧烛供氧的可行性进行分析,并与民航客机、潜艇等用氧烛的应用场合进行比较,证实氧烛作为潜水器的应急氧源是可行的。根据分析结果,提出了适用于全海深载人潜水器应急供氧的氧烛的技术指标。     

修正的深潜器观察窗应力分析方法

开口结构的设计是大深度潜水器研制过程中的关键技术之一。国内现行的深潜器观察窗应力分析方法是在假设观察窗受力均匀的基础上推导出的,但这种假设与观察窗实际的受载情况存在偏差。因此文章在此基础上,根据相关试验数据及有限元仿真结果,对此计算方法进行修正,得到较为接近真实情况的计算方法。     

深海潜水器观察窗玻璃损伤缺陷研究

作为载人潜水器唯一的非金属承压部件,观察窗玻璃的结构强度和可靠性直接影响载人潜水器的安全性。经模拟极限服役工况的静水外压试验后,观察窗玻璃的锥面出现了视觉可见的缺陷,研究这些缺陷对指导观察窗玻璃的安全使用及评价其可靠性具有重要意义。利用光学显微镜对这些缺陷进行了表征及测量,并按照其特征,对潜水器观察窗的缺陷进行了定义和分类;同时,利用有限元对观察窗玻璃受力情况进行分析,给出了静水外压试验过程中观察窗玻璃的应力、应变以及位移分布,结合缺陷特征,初步阐释了缺陷出现的机理及这几类缺陷之间的联系。     

4500米以深作业型载人潜水器

大深度作业型载人潜水器是国际深海事业发展的重要技术手段和强力支撑。本文重点介绍了6台下潜深度超过4500米的大深度作业型载人潜水器,即美国4500米级Alvin号、法国6000米级Nautile号、俄罗斯6000米级MIR-1和MIR-2号、日本6500米级Shinkai6500号和中国7000米级蛟龙号;在此基础上,简述了世界上正在建造的3台全海深作业型载人潜水器,即日本Shinkai12000号、中国彩虹鱼号和中国万米载人潜水器。最后探讨了载人潜水器的未来。     

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。     

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。     

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。     

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。