关键词:
全海深
载人潜水器
浮力材料
抗压强度
吸水率
应力-吸水耦合模型
摘要:
由空心玻璃微珠与环氧树脂复合而成的固体浮力材料,具有轻质、高强、低吸水率的优良特性,是全海深载人潜水器的一个重要结构系统。然而,在对多个厂家提供的全海深浮力材料样品进行测试后,发现其压溃强度并未达到中国船级社潜水器规范所规定的1.5倍安全系数标准。针对此问题,可以从两条路径解决:一是提升浮力材料的抗压强度,二是设计师接受这个现状,在潜水器作业规程中考虑超规范使用现有浮力材料的安全注意事项。如何科学、合理地制定超规范使用规则,则需要对浮力材料的吸水率特性有深入的研究。论文以固体浮力材料作为研究对象,通过深入剖析吸水过程各阶段的吸水率变化规律,以空心玻璃微珠的抗压强度作为关键力学性能指标,综合运用试验测试、数值模拟以及理论分析建模等多种方法,从材料的微观和宏观多尺度角度,系统地研究了浮力材料的破坏机制与吸水率特性。主要研究内容有:探讨了浮力材料中空心玻璃微珠的体积分数、微观结构等因素对材料力学性能的影响。利用有限元数值仿真技术,计算不同规格的浮力材料的有效弹性模量,并详细分析各因素对浮力材料弹性模量的影响机制。研究结果显示,在空心玻璃微珠体积分数保持不变的情况下,浮力材料的有效弹性模量会随着空心玻璃微珠内外径之比的增大而呈现出明显的下降趋势。此外,还对压缩载荷下的应力分布情况进行定性分析,揭示了微珠等效密度与破坏顺序之间的内在联系。研究结果显示,在微珠等效密度相同的情况下,外径较大的空心玻璃微珠会比其他微珠更容易发生破坏。深入探究固体浮力材料的抗压性能,提出了基于弹性应变能的固体浮力材料极限应变能模型。该模型不仅能计算不同粒径空心玻璃微珠的极限应变能,还能进一步分析不同压力作用下,浮力材料中空心玻璃微珠发生连锁破坏的临界粒径。研究结果显示,随着空心玻璃珠半径的增加,浮力材料的抗压强度会逐渐降低;同时,随着水压的增大,空心玻璃微珠发生碎裂的粒径界限也会相应降低。通过一系列试验验证了该抗压模型的可靠性,并推导出固体浮力材料中空心玻璃微珠弹性应变能的概率分布函数,为浮力材料的性能评价提供一种方法。为优化浮力材料的性能,充分利用空心玻璃微珠抗压强度呈偏态分布的特点,提出了“水压筛选法”对空心玻璃微珠进行筛选。通过淘汰抗压强度较低的微珠,成功提升了浮力材料的整体抗压强度,进而增强了全海深固体浮力材料的安全储备。基于自洽理论建立了单胞同心球壳模型,构建了浮力材料自由吸水阶段的应力-吸水耦合简化模型。利用有限元方法模拟了浮力材料层板的吸水过程,并将结果与试验数据进行对比验证,确保简化模型的准确性。进一步分析了吸水率、体应力、扩散系数等关键参数随时间和厚度的变化规律,并绘制出相应的变化曲线,为浮力材料在深海环境中的长期稳定运行提供了理论支撑。为进一步探究浮力材料在深海极端环境下的吸水率特性,对空心玻璃珠的破坏行为进行深入研究,通过系统分析,明确了空心玻璃微珠的破损与吸水行为之间的紧密关联,特别是在水压驱动阶段,浮力材料的吸水过程主要由空心玻璃珠的破碎所主导。基于此,创新性地构建了浮力材料在该阶段的吸水率模型,并计算出了空心玻璃微珠发生连锁破坏的阈值。通过设计并实施多项试验,验证了抗压模型和吸水率理论预报模型的可行性和可靠性。针对现有吸水率测量方法的不足,设计了一套吸水率和压溃强度实时监测系统。该系统通过实时采集与分析浮力材料在吸水过程中的相关数据,能够得到不同压力下浮力材料的吸水率,并能精确地监测其压溃强度,从而实现了对浮力材料性能的动态监测与评估,这一系统为吸水率和抗压强度的精确监测提供了新的思路。此外,还对全海深浮力材料的安全使用标准探讨,并提出全海深固体浮力材料的静水压力测试方法。为浮力材料在深海领域的安全应用提供了重要指导。