【摘要】：面對陸地資源日益匱乏、人類生存空間有限以及生態(tài)環(huán)境惡化的現(xiàn)狀,國際社會把目光逐漸聚焦海洋。深海(6000-11000米的深度區(qū)間)勘探活動的增加促進了大深度載人潛水器的發(fā)展。載人艙是深海載人潛水器中主要承壓部件,而觀察窗設(shè)計是載人艙研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。在深海超高壓工作環(huán)境中,以觀察窗為代表的載人艙開口結(jié)構(gòu)對于保障潛水器安全性和可靠性至關(guān)重要。本文以大深度載人艙觀察窗作為研究對象,以其基本力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和蠕變特性三方面作為切入點,簡要概述國內(nèi)外觀察窗研究現(xiàn)狀,并總結(jié)出該領(lǐng)域目前尚未解決的技術(shù)難題。本文研究內(nèi)容和主要成果包括以下幾個方面:(1)對觀察窗備選材料的材料特性和結(jié)構(gòu)形式進行了對比分析,并對其工作環(huán)境和載荷譜特點以及其簡化描述方法進行了闡述,確定了本文著重分析的觀察窗模型—錐臺形有機玻璃觀察窗的具體結(jié)構(gòu)形式、材質(zhì)以及基本材料參數(shù)。(2)基于光的折射定律對平面和單曲面兩種錐臺形觀察窗觀察視野進行了分析,并討論了結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)對觀察視野的影響。分析結(jié)果表明錐形角α大于83.68度的平面錐臺形觀察窗觀察視野的覆蓋范圍最佳,本文以應(yīng)用最為廣泛的90度平面錐臺形為分析對象,對其結(jié)構(gòu)強度和優(yōu)化、蠕變等問題展開研究。(3)針對有限元線性計算時材料屬性參數(shù)的影響進行參數(shù)化分析,考慮了溫度和材料非線性等潛在因素對觀察窗設(shè)計的影響。對比壓力試驗測試結(jié)果和有限元模擬結(jié)果確定彈性模量和泊松比分別為2400MPa和0.35時更匹配有機玻璃的實際材料特性,根據(jù)壓力試驗實際測試的溫度范圍,提出在觀察窗初步設(shè)計時應(yīng)考慮溫度效應(yīng)的影響。(4)基于觀察窗觀察視野和有機玻璃材料性能的研究,針對90度平面錐臺形有機玻璃觀察窗,分析不同過渡半徑對其力學(xué)性能的影響規(guī)律。對比不同過渡半徑下觀察窗的應(yīng)力和變形分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)合理的過渡圓角可以有效改善觀察窗與窗座接觸面應(yīng)力分布不均以及窗內(nèi)表面邊緣處的應(yīng)力集中現(xiàn)象,但是當(dāng)過渡半徑超過5000mm時,改善應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯且嚴重降低其觀察視野。(5)為克服線彈性模型無法準確表征有機玻璃本構(gòu)關(guān)系的缺點,本文提出了一種基于粘彈性模型模擬觀察窗有機玻璃蠕變的有限元分析方法,該方法可以得到不同類型載荷譜下觀察窗的軸向位移變化規(guī)律。此外分析了厚度-內(nèi)徑比(t/D)和保載時間T對軸向位移的影響規(guī)律,結(jié)果表明厚度-內(nèi)徑比和保載時間存在較大的交互效應(yīng),兩者同時變化時對觀察窗軸向位移影響較大,當(dāng)厚度-內(nèi)徑比大于1.5且保載時間超過100h時,軸向位移變化已趨于收斂,在觀察窗結(jié)構(gòu)優(yōu)化時應(yīng)考慮厚度-內(nèi)徑比的影響。(6)基于一系列觀察窗有限元模擬結(jié)果,擬合得到了可以用于描述和計算不同厚度-內(nèi)徑比和保載時間的錐臺形觀察窗軸向位移計算公式,該公式考慮了有機玻璃蠕變特性對軸向位移的影響,更貼近觀察窗實際變形。通過對比公式計算結(jié)果與有限元模擬結(jié)果的相關(guān)性驗證了該計算公式的有效性。綜上,本文借助有限元計算手段,考慮了觀察窗材料、結(jié)構(gòu)、載荷和使用環(huán)境等多種因素的交互效應(yīng),對錐臺形有機玻璃觀察窗觀察視野、結(jié)構(gòu)強度和優(yōu)化以及蠕變特性等方面進行了較為深入的分析,為建立比較完備的關(guān)于大深度載人艙觀察窗用有機玻璃性能的研究體系奠定了理論基礎(chǔ)。
【圖文】：

的結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式眾多，主要包括三種基本結(jié)構(gòu)形有雙斜邊圓形窗、錐邊部分球形窗以及方合體[34]。其結(jié)構(gòu)形式的選擇需綜合考慮結(jié)密封和維護保養(yǎng)等方面。于結(jié)構(gòu)形式簡單易于加工、便于安裝和經(jīng)潛水器。但平圓形觀察窗在窗體與窗座接力集中，極大程度上降低了觀察窗的結(jié)構(gòu)低應(yīng)力集中的負面影響，但窗體厚度直接的合理控制不僅有利于提高載人潛水器作水器的經(jīng)濟性能。此外，，相較于錐臺形和小。

圖 2-2 錐臺形觀察窗Fig. 2-2 Frustum-shaped observation window外形類似于球面，表面過渡較平滑，在高勻，其抗壓性能優(yōu)于平圓形和錐臺形觀察可以獲得清晰的觀察視野，但觀察視野很置。相較于平圓形和錐臺形觀察窗可以承優(yōu)點。同時，球扇形觀察窗加工要求和成
【學(xué)位授予單位】：上海海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：U674.941

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本文編號：2621216