深海耐压球壳观察窗力学特性及试验研究

发布时间：2020-05-04 13:47

【摘要】：耐压壳是载人潜器的重要设备,耐压壳上设置多种开孔,包括便于人员出入的舱口、观察外界的观察窗以及零件和管件的贯穿孔。开孔不可避免地会削弱耐压壳整体的力学特性,因此开孔结构的设计是耐压壳设计的重中之重。观察窗是研究人员观察和探索外界的窗口,其受力情况复杂,且观察窗的材料性能与壳体材料相差较大,在深海压力作用下,观察窗易产生挤压变形,可能会导致其从窗座处挤出从而造成耐压壳的泄漏。为了保证人员与设备的安全,保证潜水器的正常工作,对耐压壳上的开孔包括人员出入口以及观察窗的研究都是至关重要的,本文的研究内容与结论如下:(1)首先采用两种理论公式研究了带有锥台形观察窗耐压壳的结构应力,并讨论不同厚度半径比下两种公式的适用性,当球壳为中厚壳时,两种理论公式的计算结果较为接近。研究窗座的结构参数对应力集中系数的影响规律,参数a、b和c的变化对k_ρ的影响较小,对k_θ的影响较大;参数f对k_ρ和k_θ的影响不大。采用理论和数值法分析了观察窗的结构应力,两种方法获得的轴向应力的变化趋势大致相同,轴向应力的数值解稍大于理论解。其次观察窗的小直径端尖角处易发生应力集中,且小直径端应变较大,可能造成观察窗与窗座变形不协调。为探究观察窗与窗座的变形协调情况,需研究几何参数对接触面处的应力与变形的影响。(2)采用理论与数值法对带有不同形式观察窗的耐压壳进行强度研究,结果表明数值分析结果与理论分析结果吻合较好,平圆形观察窗耐压壳的最大应力与完美球壳相差较大,球扇形和锥台形观察窗耐压壳的最大应力与完美球壳基本一致,因此锥台形窗座起到加强作用弥补了开孔对壳体强度的削弱。其次制造比例树脂模型进行试验验证,数值法和试验获得的失稳形式一致,两者结果具有良好的一致性,因此考虑等效缺陷的数值分析可以很好预测球形耐压壳的破坏形式与破坏载荷。(3)研究多个开孔对整体耐压球壳力学特性的影响,首先对带人孔耐压壳的强度及稳定性进行数值分析,采用水压试验验证,结果表明试验结果与考虑真实缺陷的数值分析结果十分吻合,验证了数值分析的合理性。其次对带人孔以及三个观察窗的耐压壳进行力学特性研究,验证其满足强度要求。多开孔耐压壳的临界载荷比单个观察窗开孔耐压壳的临界载荷高2%,比完美球壳的临界载荷高1.2%,与带有人孔耐压壳的稳定性相差1.1%,说明人孔的加强结构以及观察窗窗座加强构件弥补了开孔对耐压壳力学特性的削弱,加强构件起到了加强作用。
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U674.941

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本文编号：2648639