大深度载人舱有机玻璃观察窗性能的影响参数研究

• 作 者: 王雾雾
• 出 处: 上海海洋大学
• 发表日期: 2019年01期
• 关键词: 观察窗 有机玻璃 观察视野 结构优化 蠕变分析 位移计算

面对陆地资源日益匮乏、人类生存空间有限以及生态环境恶化的现状,国际社会把目光逐渐聚焦海洋。深海(6000-11000米的深度区间)勘探活动的增加促进了大深度载人潜水器的发展。载人舱是深海载人潜水器中主要承压部件,而观察窗设计是载人舱研究的关键技术之一。在深海超高压工作环境中,以观察窗为代表的载人舱开口结构对于保障潜水器安全性和可靠性至关重要。本文以大深度载人舱观察窗作为研究对象,以其基本力学性能、结构优化和蠕变特性三方面作为切入点,简要概述国内外观察窗研究现状,并总结出该领域目前尚未解决的技术难题。本文研究内容和主要成果包括以下几个方面:(1)对观察窗备选材料的材料特性和结构形式进行了对比分析,并对其工作环境和载荷谱特点以及其简化描述方法进行了阐述,确定了本文着重分析的观察窗模型—锥台形有机玻璃观察窗的具体结构形式、材质以及基本材料参数。(2)基于光的折射定律对平面和单曲面两种锥台形观察窗观察视野进行了分析,并讨论了结构形式和结构参数对观察视野的影响。分析结果表明锥形角α大于83.68度的平面锥台形观察窗观察视野的覆盖范围最佳,本文以应用最为广泛的90度平面锥台形为分析对象,对其结构强度和优化、蠕变等问题展开研究。(3)针对有限元线性计算时材料属性参数的影响进行参数化分析,考虑了温度和材料非线性等潜在因素对观察窗设计的影响。对比压力试验测试结果和有限元模拟结果确定弹性模量和泊松比分别为2400MPa和0.35时更匹配有机玻璃的实际材料特性,根据压力试验实际测试的温度范围,提出在观察窗初步设计时应考虑温度效应的影响。(4)基于观察窗观察视野和有机玻璃材料性能的研究,针对90度平面锥台形有机玻璃观察窗,分析不同过渡半径对其力学性能的影响规律。对比不同过渡半径下观察窗的应力和变形分布规律,发现合理的过渡圆角可以有效改善观察窗与窗座接触面应力分布不均以及窗内表面边缘处的应力集中现象,但是当过渡半径超过5000mm时,改善应力集中现象不明显且严重降低其观察视野。(5)为克服线弹性模型无法准确表征有机玻璃本构关系的缺点,本文提出了一种基于粘弹性模型模拟观察窗有机玻璃蠕变的有限元分析方法,该方法可以得到不同类型载荷谱下观察窗的轴向位移变化规律。此外分析了厚度-内径比(t/D)和保载时间T对轴向位移的影响规律,结果表明厚度-内径比和保载时间存在较大的交互效应,两者同时变化时对观察窗轴向位移影响较大,当厚度-内径比大于1.5且保载时间超过100h时,轴向位移变化已趋于收敛,在观察窗结构优化时应考虑厚度-内径比的影响。(6)基于一系列观察窗有限元模拟结果,拟合得到了可以用于描述和计算不同厚度-内径比和保载时间的锥台形观察窗轴向位移计算公式,该公式考虑了有机玻璃蠕变特性对轴向位移的影响,更贴近观察窗实际变形。通过对比公式计算结果与有限元模拟结果的相关性验证了该计算公式的有效性。综上,本文借助有限元计算手段,考虑了观察窗材料、结构、载荷和使用环境等多种因素的交互效应,对锥台形有机玻璃观察窗观察视野、结构强度和优化以及蠕变特性等方面进行了较为深入的分析,为建立比较完备的关于大深度载人舱观察窗用有机玻璃性能的研究体系奠定了理论基础。