深潜器耐压结构研究现状及发展趋势（英文）

本文介绍了深海潜水器技术强国在该领域的发展现状及发展趋势。在此基础上,针对深海潜水器耐压结构,分析了选用不同材料耐压结构的优缺点,并重点对复合材料耐压结构的研究现状进行综述。结合第三代深潜器对水动力特性的要求,总结了耐压结构构型的研究现状,提出椭球形的构型设想。最后讨论了深海潜水器耐压结构的发展趋势。     

深潜器耐压结构研究现状及发展趋势

本文介绍了深海潜水器技术强国在该领域的发展现状及发展趋势.在此基础上,针对深海潜水器耐压结构,分析了选用不同材料耐压结构的优缺点,并重点对复合材料耐压结构的研究现状进行综述.结合第三代深潜器对水动力特性的要求,总结了耐压结构构型的研究现状,提出椭球形的构型设想.最后讨论了深海潜水器耐压结构的发展趋势.     

蛋形耐压壳力学特性研究

深入研究了复合材料蛋形耐压壳的力学特性.首先建立蛋形耐压壳母线方程及解析法力学模型;在此基础上,推出极限强度载荷、屈曲临界载荷与厚度的定量关系式,以及厚度和浮力系数的求解方程,并研究了同比条件下球形耐压壳的力学特性.结果表明,蛋形耐压壳综合性能优于球形耐压壳,可最优协调强度稳定性、浮力系数、空间利用率、人机环特性以及水动力学特性,且对缺陷敏感性低,便于开孔、开窗,在深海潜水器上具有良好的应用前景.     

蛋形混凝土耐压壳的设计与力学特性研究

耐压壳体的设计,在深海潜水器等水下作业设备研制开发中占有重要位置。本文结合蛋形结构和混凝土的耐压特性,完成2 000 m水深耐压壳的结构设计,分析其在理想状态、考虑几何缺陷情况下的力学特性,以及混凝土材料的蠕变对其力学特性的影响。结果表明,蛋形混凝土耐压壳中间段承受的应力大于两端,失稳最先发生于耐压壳中部,发生蠕变后耐压壳屈曲极限载荷与理想状态相比下降了6.88%。     

载人潜水器耐压球壳的多目标优化设计

采用基于响应面(RSM)近似模型和遗传算法(GA)对某深海载人潜水器耐压球壳进行多目标优化设计。首先建立深海载人潜水器耐压球壳的结构优化模型,通过试验设计(DOE)获得设计目标的响应特性,拟合得到响应面近似模型,最后采用Pareto遗传算法对响应面模型进行多目标优化求解,得到潜水器耐压球壳的优化设计方案。     

深海载人潜水器耐压球壳的非线性有限元分析

潜水器耐压球壳的稳定性是开发深海载人潜水器的关键技术之一,其球壳已达中厚壳范围,因此需考虑横向剪切变形的影响.本文基于非线性有限元方法,对大深度载人潜水器耐压球壳的非线性稳定性进行了研究,考虑了加工过程造成的不圆度、材料屈服引起的应变强化呈现的材料非线性、以及壳体整体屈服产生的塑性大变形而表现的几何非线性等因素的影响.计算表明,相同厚度耐压球壳的失稳临界压力随半径的增大而减少;球壳半径不变时,失稳临界压力则随厚度的增加而增大.文中给出了球壳失稳临界压力、厚度与直径的关系曲线,据此可选择潜水器耐压球壳的最佳几何尺寸.     

潜水器耐压壳结构研究现状及展望

潜水器是海洋观测与作业的重要技术装备,耐压壳是潜水器的核心结构部件。论文介绍了国内外潜水器的发展概况,对不同类型潜水器耐压壳的结构形式、材料选用,强度与稳定性设计计算方法等进行综述,展望潜水器耐压壳研究和应用的方向。     

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.     

新型钛合金材料疲劳寿命试验及预报方法研究

为保障我国深海载人潜水器耐压壳结构安全性,本文针对耐压壳用新型钛合金的疲劳特性开展了不同应力水平下疲劳裂纹扩展门槛值试验以及疲劳寿命试验研究;获得了新型钛合金材料在载荷比R=0.1下的门槛值以及不同应力水平下该材料的疲劳寿命值;并基于断裂力学方法,对新型钛合金材料疲劳裂纹扩展行为进行了预报研究,将预报结果与相应试验结果进行了对比,从而验证预报方法的可行性和可靠性.     

材料力学特性对球型耐压结构极限强度的影响

为了揭示材料主要力学性能对深海耐压结构极限承载能力的影响规律,以完整球壳为研究对象,采用非线性有限元方法,研究了材料力学特性变化对极限强度的影响。通过大量数值计算与归纳分析,得到了材料屈服强度和杨氏模量对不同厚径比球壳极限强度的影响规律。研究发现,随着厚径比的增加,材料刚度特性对结构极限强度的影响权重逐渐减少,屈服强度影响权重逐渐增加。在此研究基础上,提出了一种考虑屈服强度变化的球壳极限强度半经验拟合公式,为潜水器耐压结构选材与设计提供参考。     

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.     

材料力学特性对球型耐压结构极限强度的影响

为了揭示材料主要力学性能对深海耐压结构极限承载能力的影响规律,本文以完整球壳为研究对象,采用非线性有限元方法,开展了材料力学特性变化对极限强度的影响研究。通过大量数值计算与归纳分析,得到了材料屈服强度和杨氏模量随厚径比变化对球壳极限强度的影响规律,研究发现随着厚径比的增加,材料刚度特性对结构极限强度的影响权重逐渐减少,屈服强度影响权重逐渐增加,在此研究基础上本文提出了一种考虑屈服强度变化的球壳极限强度计算新方法,为潜水器耐压结构选材与设计提供参考。     

深海载人潜水器耐压球壳极限强度研究

对现有的潜水器耐压壳的研究主要都围绕薄壳结构,而深海载人潜水器耐压球壳,已属于厚壳的范围.国际上还没有均匀外压下厚球壳的解析解,只有美国海军泰勒水池耐压球壳设计公式及俄罗斯相应的公式可以参考.因此本文基于有限元的分析方法,对大深度载人潜水器耐压球壳极限强度进行了研究.通过对有限元参数的比较,提出了一个合理的有限元分析模型,计算结果与实验数据相符,而泰勒水池公式及俄罗斯公式的误差较大.然后计算了一系列半径厚度比下的耐压球壳的极限强度,并研究了初挠度的影响.本文认为对于深海载人潜水器耐压球壳可以直接根据有限元计算确定其极限强度,泰勒水池公式和俄罗斯公式偏于保守;耐压球壳经过精加工,初挠度对于其极限强度的影响不大.为了实用起见,本文还给出了完善耐压球壳极限强度与经典值的比值曲线,以及初挠度效应曲线.     

开孔球形耐压壳力学特性及疲劳分析

深入研究7000m水深下球形耐压壳的力学特性及疲劳寿命。首先,对完整球形耐压壳进行强度及稳定性分析;其次在完整球形耐压壳的基础上,根据潜水器设计规范对其进行开孔加强设计;最后对开孔加强球形耐压球壳进行强度与稳定性以及疲劳寿命分析,并同时与完整球形耐压壳进行对比。研究结果表明,开孔对球形耐压壳影响较大,与完整球形耐压壳相比,强度下降了9.4%,稳定性下降了19%,疲劳寿命下降了32.4%。研究成果可为深海球形耐压壳开孔开窗设计提供参考。     

静水压力下纤维缠绕复合材料壳体耐压因子的优化设计（英文）

基于遗传算法和数值分析一体式优化平台,以设计压力因子为目标函数,结构失稳和材料静强度破坏为约束条件,纤维缠绕策略和铺层方式为变量,对静水压力作用下碳/环氧、硼/环氧和玻璃/环氧等三种复合材料壳体的耐压因子进行优化设计。结果表明,复合材料耐压壳体在深海环境下能够提供充足的正浮力;对于不同的复合材料,最大设计压力受限的因素有所不同,主要受限于结构失稳或材料强度破坏;纤维缠绕策略和铺层方式对设计压力因子具有显著影响。文中最后提出变厚度设计、复合材料肋骨等增强方式,旨在解决结构失稳或材料强度破坏对最大设计压力的限制,研究成果可为复合材料耐压壳体结构设计提供参考。     

静水压力下纤维缠绕复合材料壳体耐压因子的优化设计

基于遗传算法和数值分析一体式优化平台,以设计压力因子为目标函数,结构失稳和材料静强度破坏为约束条件,纤维缠绕策略和铺层方式为变量,对静水压力作用下碳/环氧、硼/环氧和玻璃/环氧等三种复合材料壳体的耐压因子进行优化设计.结果表明,复合材料耐压壳体在深海环境下能够提供充足的正浮力;对于不同的复合材料,最大设计压力受限的因素有所不同,主要受限于结构失稳或材料强度破坏;纤维缠绕策略和铺层方式对设计压力因子具有显著影响.文中最后提出变厚度设计、复合材料肋骨等增强方式,旨在解决结构失稳或材料强度破坏对最大设计压力的限制,研究成果可为复合材料耐压壳体结构设计提供参考.     

开孔球形耐压壳力学特性及疲劳分析

深入研究7000 m水深下球形耐压壳的力学特性及疲劳寿命.首先,对完整球形耐压壳进行强度及稳定性分析;其次在完整球形耐压壳的基础上,根据潜水器设计规范对其进行开孔加强设计;最后对开孔加强球形耐压球壳进行强度与稳定性以及疲劳寿命分析,并同时与完整球形耐压壳进行对比.研究结果表明,开孔对球形耐压壳影响较大,与完整球形耐压壳相比,强度下降了9.4%,稳定性下降了19%,疲劳寿命下降了32.4%.研究成果可为深海球形耐压壳开孔开窗设计提供参考.     

大深度潜水器开孔耐压壳的极限强度研究

钛合金制深海载人潜水器耐压壳上面设有人孔、观察窗等多个开孔,而这些开孔又会削弱耐压壳的极限强度,又因为耐压壳工作的环境是几千米的深海中,所以了解其主要承压结构耐压壳的极限强度有重要的意义,也是设计者所必须关注的问题。本文利用ABAQUS有限元软件对开孔耐压球壳的极限强度进行了非线性有限元分析,计算了开孔的大小及加强围壁参数的变化对壳体极限强度的影响。计算结果表明,随着孔径的增大和围壁厚度的减小其极限强度成下降趋势。     

基于近似模型技术的复合材料耐压壳性能研究

基于纤维增强复合材料具有高比模量,高比强度的特点,提出内部环肋金属内衬外部缠绕复合材料的潜水器耐压壳结构形式,结合有限元方法和近似模型技术对该种结构形式的耐压壳进行研究。得到复合材料加强纤维的含量与耐压壳结构性能参数的关系以及不同铺层角对耐压壳临界失稳压力的影响,为该种形式复合材料耐压壳的设计提供设计依据。     

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。