【摘要】：面對(duì)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(huì)把目光逐漸聚焦海洋。深海(6000-11000米的深度區(qū)間)勘探活動(dòng)的增加促進(jìn)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(jì)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(duì)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(duì)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(diǎn),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(gè)方面:(1)對(duì)觀察窗備選材料的材料特性和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了對(duì)比分析,并對(duì)其工作環(huán)境和載荷譜特點(diǎn)以及其簡化描述方法進(jìn)行了闡述,確定了本文著重分析的觀察窗模型—錐臺(tái)形有機(jī)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(duì)平面和單曲面兩種錐臺(tái)形觀察窗觀察視野進(jìn)行了分析,并討論了結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)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(tái)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(tái)形為分析對(duì)象,對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和優(yōu)化、蠕變等問題展開研究。(3)針對(duì)有限元線性計(jì)算時(shí)材料屬性參數(shù)的影響進(jìn)行參數(shù)化分析,考慮了溫度和材料非線性等潛在因素對(duì)觀察窗設(shè)計(jì)的影響。對(duì)比壓力試驗(yàn)測(cè)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(shí)更匹配有機(jī)玻璃的實(shí)際材料特性,根據(jù)壓力試驗(yàn)實(shí)際測(cè)試的溫度范圍,提出在觀察窗初步設(shè)計(jì)時(shí)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(jī)玻璃材料性能的研究,針對(duì)90度平面錐臺(tái)形有機(jī)玻璃觀察窗,分析不同過渡半徑對(duì)其力學(xué)性能的影響規(guī)律。對(duì)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(shí),改善應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯且嚴(yán)重降低其觀察視野。(5)為克服線彈性模型無法準(zhǔn)確表征有機(jī)玻璃本構(gòu)關(guān)系的缺點(diǎn),本文提出了一種基于粘彈性模型模擬觀察窗有機(jī)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(shí)間T對(duì)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(shí)間存在較大的交互效應(yīng),兩者同時(shí)變化時(shí)對(duì)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(shí)間超過100h時(shí),軸向位移變化已趨于收斂,在觀察窗結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)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(jì)算不同厚度-內(nèi)徑比和保載時(shí)間的錐臺(tái)形觀察窗軸向位移計(jì)算公式,該公式考慮了有機(jī)玻璃蠕變特性對(duì)軸向位移的影響,更貼近觀察窗實(shí)際變形。通過對(duì)比公式計(jì)算結(jié)果與有限元模擬結(jié)果的相關(guān)性驗(yàn)證了該計(jì)算公式的有效性。綜上,本文借助有限元計(jì)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(duì)錐臺(tái)形有機(jī)玻璃觀察窗觀察視野、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和優(yōu)化以及蠕變特性等方面進(jìn)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(jī)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(hù)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(fù)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(jì)性能。此外，，相較于錐臺(tái)形和小。

圖 2-2 錐臺(tái)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(tái)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(tái)形觀察窗可以承優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，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(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：U674.941

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本文編號(hào)：2621216