美国载人深潜器新ALVIN号研制

在过去的40年，对大于200m海深的海洋学基础研究取得了显著而卓越的成果。在与ROV，AUV并肩进行深海考察作业时，载人潜水器（HOV）展现出的最大优势表现在视觉信息，通过HOV，人类观察到深海图像和视野景色，并能同步给予相应的适当处理回应。随着潜水器的深入应用，科学家提出对深海技术更新的要求，即要下潜更深，潜水时间更长，研究得到的结果更多，以满足现有和未来深潜研究需求。     

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.     

(美)伍兹·霍尔海洋研究中心载人深潜器计划探究暨(美)新概念ALVIN号载人深潜器关键技术浅析

文章较为详细地介绍了美国伍兹霍尔海洋学研究所（WHOI）目前在建的新概念ALVIN号载人深潜器研制项目,该项目经过了美国科研机构认真详实的凋研论证而立项,新概念ALVIN号的研制对确保美国在深海研究及深海技术方面处于领先地位有着重大意义。文中介绍了新ALVIN号的主要技术性能、关键技术、建造费用、建造计划等内容。     

载人潜水器概念设计中的总体多学科设计模型及分析

介绍了大深度载人潜器概念设计中总体多学科设计模型的建模方法和过程,并开发了总体设计集成程序(Concept Design of Deep Manned Submersible,CDMS),采用7000m载人潜器的设计数据对其进行了测试,验证该模型是可靠的,可用于载人潜器的性能分析和多学科优化设计中。此外,以7000m载人潜器为例,对潜器的重量/浮容积特性进行了分析,讨论了几个主要设计参数对潜器重量/浮容积性能的影响,获得了一些有价值的结论,可供同类型载人潜器总体设计时参考。     

深潜器载人球壳规范设计公式的比较

文章首先简要地介绍了几个船级社现有的关于深潜器载人球壳的规范设计公式,这些公式背后的理论基础要么是经典的屈服破坏或屈曲破坏.然后,应用这些规范公式对国际上现有的几个载人潜水器耐压球壳的设计厚度进行了计算,在计算中统一了输入的设计参数并将这些计算结果进行了比较.比较表明,不同船级社设计公式给出的球壳厚度存在很大差别,绝大多数设计规范计算出的厚度都超过潜水器的实际壳厚.因此,作者认为非常有必要对各船级社的规范设计公式进行更新,最好能像民船共同规范一样给出统一的球壳设计公式.最后,文中对如何建立统一公式的研究过程提出了建议.     

深海一号载人潜水器支持母船布放回收系统设计概述及特点分析

该文简要介绍了载人潜水器支持母船深海一号的布放回收系统组成、功能和特点,归纳总结了布放回收系统的设计要点,为我国载人潜水器支持母船的进一步发展以及海洋深潜调查工作做一定的基础性工作.     

基于模糊综合评判理论的载人深潜器操纵技巧评价方法

简要介绍了模糊综合评判的基本理论及其评判原理;简述了模糊综合评判多层次模型的建模与分级评判方法;提出了载人深潜器航行和作业技巧综合评价体系,构建了载人深潜器操纵技巧综合评价的二级模型,对航行和作业技巧综合评价的各因素及权重的确定方法作了说明,并在载人深潜器操纵仿真系统上进行了模拟运行,获得了预期的效果.如果考虑海况、海底海流、海底地质地形、作业对象等因素,该方法可运用于实艇海上驾驶作业训练的综合评价.     

大气环境控制技术在“蛟龙”号载人潜水器上的应用

介绍各种类型水下运载器如潜艇、载人深潜器等对载人密闭舱室内大气环境控制的共性要求。针对"蛟龙"号的客观条件,从动力、空间大小、浓度要求等方面分析其对大气环境控制的特殊要求。分析常见的几种密闭环境供氧及二氧化碳吸收技术如物理供氧、电解水、氧烛、超氧化物、一乙醇胺、固态胺、分子筛、碱石灰、氢氧化锂等技术各自的优缺点。在此基础上研制出一套环境控制样机,并将样机随"蛟龙"号载人潜水器进行1 000,3 000,5 000及7 000米级海试。海试的圆满成功进一步证实了样机的有效性。     

“禹龙号”大坝深水检测载人潜水器的初步应用及试验

为满足我国未来大坝深水检测与修补加固技术的发展需求,针对高坝大库深水复杂环境的特点,攻克潜水器宽视野观测、水下作业和安全等技术难点,形成具有自主知识产权的大坝深水检测成套技术装备——“禹龙号”大坝深水检测载人潜水器。为了验证“禹龙号”载人潜水器的工程应用性能,先后在汤浦混凝土面板堆石坝、新安江重力坝和雅砻江锦屏一级拱坝等3种坝型中开展初步应用试验,完成坝面巡检、坝面清理和水下渗漏示踪等作业。通过在不同坝型大坝水下检测中的初步应用,验证了“禹龙号”载人潜水器的性能和作业能力,形成了未来大坝深水检测技术的成功经验与发展需求,为装备的进一步完善与推广应用积累了经验。     

载人潜水器混合动力中辅助电池容量的估算及验证系统

在燃料电池与蓄电池混合动力载人潜水器中,蓄电池的类型及容量是影响混合动力系统的响应特性、安全性、体积、重量的重要因素。文章首先针对启动、大功率突变及应急等工况进行分析,对蓄电池进行选型与容量配置,然后为验证估算容量值是否满足系统要求,开展了铅酸蓄电池放电电流与容量的建模,提出基于状态的燃料电池与铅酸蓄电池的功率分配方法及铅酸蓄电池SOC的估算方法,最后基于MATLAB GUI搭建铅酸电池容量验证系统,通过该容量验证系统,不仅可对混合动力系统中辅助蓄电池配置方案进行校核与优化设计,还可为系统是否设置重载询问提供依据。     

载人潜水器母船网络信息系统设计分析

本文结合我国载人深潜科学考察对母船网络信息系统的需求,阐述了载人潜水器母船网络信息系统的设计原则及总体设计方法,并对各分系统设计与实施进行论述,旨在为我国新建载人潜水器母船网络信息系统建设提供参考。     

基于参数化有限元的深潜器主框架优化设计

深潜器主框架是一个大型空间刚架结构,如何对这类复杂的工程结构进行优化,使其既满足自身的强度和刚度要求,同时又满足总体设计对主框架重量和布置的要求,这些仅仅根据经验是不够的,如何充分利用现有的大型通用有限元软件的优化设计功能显得尤为重要.本文利用现有通用大型有限元软件MSC Patran/Nastran,基于参数化设计的思想,对深潜器主框架进行了两个方面的优化设计:首先在初步设计方案的基础上,应用有限元静力分析功能,对方案进行渐进结构拓扑优化;其次,对选定的方案,分别采用可行方向法、序列线性规划法和序列二次规划法这3种优化算法对主框架进行优化,并比较各优化方法的适用性,说明了对于复杂结构存在的目标函数多峰值现象.结果表明,通过参数驱动有限元优化能够显著减轻主框架的整体重量,使材料达到最大的利用效率,具有实用意义.     

沉浸式载人深潜器布放交互仿真系统

针对现有载人深潜技术培训中采用实艇培训的风险大、成本高、培训周期长以及缺乏宣传教育平台的现状,开发载人深潜器布放回收的三维交互仿真系统.采用3ds Max创建支持母船、深潜器以及A型架等结构的三维模型,利用Unity3D引擎实现深潜器布放回收过程的操纵交互,提出驱动A型架旋转的液压杆运动数学模型以及头盔视线碰撞检测代替鼠标悬停的物体拣选方法,最终采用虚拟现实头盔作为视景显示方式,逼真的模拟深潜器布放回收的整个过程.该仿真系统具有可交互性和高度沉浸感,可作为深潜器布放操作人员的培训系统以及深潜技术的宣传教育平台.     

深海载人潜水器外部结构设计研究

全面总结了某深海载人潜水器外部结构中的载体框架、浮力材料、轻外壳、稳定翼的设计工作,对各种外部结构在载人潜水器中发挥的作用、材料的选取、设计思想、设计载荷和安全系数的确定、强度分析与校核等方面进行了详细的论述,以便为今后建造类似的载人潜水器提供参考.     

大深度载人潜水器载人耐压球壳的疲劳载荷谱分析

大深度载人潜水器的载人耐压球壳是载人潜水器上的最关键部件,它不仅为载人潜水器驾驶员和科学家提供了深海作业的生存空间,而且也为众多的非耐压仪器设备提供了工作环境.载人潜水器每执行一次下潜任务,耐压球壳都要承受一次海水压力作用,随着使用次数的增加.有可能会发生载人耐压球壳的低周疲劳破坏.为了确保载人潜水器载人球壳的安全性,在设计阶段必须进行载人耐压球壳的低周疲劳寿命分析.作为载人球壳低周疲劳寿命分析的基础,必须首先确定载人耐压球壳的疲劳载荷谱.本文通过对美国Alvin深海载人潜水器的使用统计资料的深入分析,提出了可以用GUMBEL分布来描述大深度载人耐压球壳疲劳载荷谱.根据设计任务书中规定的总的下潜次数要求,最后给出了我国目前正在研制的7000米载人潜水器耐压球壳的疲劳载荷谱.     

我国载人深渊器的发展策略及当前进展

文中简要介绍了载人深渊器的概念;阐述了我国研制载人深渊器的意义;总结了"蛟龙号"的经验与启示;提出了我国载人深渊器的发展策略并综述了目前所取得的进展.     

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.     

载人潜器阻力的数值计算方法分析

采用多块搭接结构化O型和H型网格对某载人潜器周围控制域进行网格离散,分别采用四种不同的湍流模型,并改变自由来流湍流强度的设置,对潜器周围绕流场进行数值模拟,得到了适于对潜器周围绕流场进行数值模拟的方法,获得较可靠的阻力等计算结果.将阻力计算结果与试验值进行对比,得出采用不同湍流模型进行数值计算时自由来流湍流强度的改变对于计算结果的影响.分析得出适于潜器阻力计算的湍流模型以及相应自由来流湍流强度的取值,为潜器的阻力预报提供了可行的数值计算方法,为潜器的阻力性能优化奠定了基础.     

大深度潜器载人球壳开孔强度的理论计算及试验验证

文章根据外压球壳开孔区域的轴对称性和等面积补强所体现的主要强度特征对大深度载人厚球壳锥台形开口加强形式进行几何变换,同时求解系数十分复杂的三阶非齐次方程,完善和扩展球壳开口围壁、厚板嵌入组合加强的理论计算方法。通过两个4 500 m潜器球壳几种开口加强形式的应力集中系数理论计算、有限元计算和试验验证,证明了该方法的可靠性和适用性,可为制订大深度潜器载人球壳强度规范提供依据。     

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.