水下运载器可伸缩式对接装置的结构与密封性能研究

摘要

随着海洋资源开发和水下作业活动的增多，水下对接作业日益频繁，对接装置作为完成水下对接作业任务的必要装备，其技术的改进和发展具有重要意义。本文为了使载人潜器具有巡航和对接的双重功能，研制了一种新型的水下对接装置，其可以实现非对接作业时嵌入艇体内部，减小海流阻力;对接作业时伸出，完成人员与物资的交换。
　　文中综述了国内外水下对接技术和课题相关技术的发展现状，根据对作业环境、对接过程的分析，提出了水下可伸缩式对接装置的总体方案，根据对接装置的功能需求，将其分为耐压壳体、锁紧机构、密封结构和驱动系统四个部分，并对适用于每个部分的结构方案进行对比分析，完成了各主体结构的详细设计。
　　由于对接装置的设计水深为1000米，为了保证装置具有可靠的强度和稳定性，文中利用理论计算和仿真方法对耐压壳体和锁紧机构进行了承载能力分析，确定了对接装置关键结构的尺寸，建立了对接装置的优化模型，在对结构参数进行灵敏度分析且响应面模型拟合精度满足要求的基础上，进行了优化设计，实现了重量最小;对固定裙和移动裙分别进行稳定性分析，证明了优化后结构尺寸的可靠性。
　　为了确保锁紧机构的可靠性，对斜面自锁条件、卡箍夹紧过程的受力情况和销轴拉紧力进行分析，建立了三瓣式卡箍运动的数学模型，得到了螺母位移和中心卡箍片径向位移之间的关系式，对其锁紧和解锁过程进行了理论分析，并通过运动学仿真进行了验证。分析了锁紧机构组件的失效工况形式，在最差工况下进行有限元强度分析，并进一步对耐压壳体受压变形后，三瓣式卡箍结构的周向非一致性对径向密封面间隙值和对接平台接触面上接触压力分布的影响进行研究。
　　根据对接装置的结构特点，利用有限元方法对法兰端面的矩形槽O形密封圈、T形格来圈和C形密封圈进行了数值模拟研究，确定了矩形槽O形密封圈和T形格来圈的最佳压缩量，对比分析了T形格来圈和普通方形格来圈的密封性能，得出T形格来圈具有允许较大的挤出间隙、极佳的静密封性能和在动密封中显著地改善泄露状态等独特优点，验证了其密封性能满足要求，并分析了径向密封结构各关键参数对C形密封圈密封性能的影响，得出其最优结构参数，保证了对接作业时密封圈具有良好的密封效果。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景、目的和意义

1．2国内外水下对接技术的发展现状

1．2．1国外水下对接技术的发展现状

1．2．2国内水下对接技术的现状

1．3课题相关技术研究现状

1．3．1密封技术研究现状

1．3．2常用的机械式锁紧机构形式

1．4论文研究的主要内容

第2章可伸缩式对接装置总体方案设计与分析

2．1引言

2．2水下作业环境分析

2．3对接装置不同布置方式下潜水器的海流阻力分析

2．4可伸缩式对接装置结构总体方案研究

2．4．1带有可伸缩式对接装置潜水器的对接过程分析

2．4．2可伸缩式对接装置功能需求分析

2．4．3可伸缩式对接装置总体方案设计

2．5对接装置的主体结构设计

2．5．1固定裙结构设计

2．5．2移动裙结构设计

2．5．3锁紧机构设计

2．5．4固定裙与移动裙之间的密封结构设计

2．6驱动方案设计

2．7本章小结

第3章对接装置的承载能力分析和结构优化

3．1对接装置耐压壳体材料特性

3．2耐压壳体厚度尺寸的初步确定

3．2．1强度和稳定性的基本理论

3．2．2强度和稳定性的理论计算方法

3．3锁紧机构相关尺寸计算

3．3．1梯形环凸起高度计算

3．3．2卡箍下齿高度计算

3．4对接装置的强度分析

3．4．1对接装置模型简化

3．4．2对接装置的有限元强度分析

3．5对接装置的结构优化设计

3．5．1响应面优化

3．5．2结构的优化设计

3．6优化后耐压壳体的稳定性分析

3．7本章小结

第4章锁紧机构分析及其对密封性能影响的研究

4．1引言

4．2锁紧机构的夹紧原理

4．3锁紧机构力学分析

4．3．1锁紧机构的自锁分析

4．3．2卡箍夹紧过程受力分析

4．3．3连接销轴的受力分析

4．4卡箍机构的运动学分析

4．4．1卡箍机构运动的数学模型

4．4．2卡箍机构的运动学仿真

4．5锁紧机构组件分析

4．5．1锁紧机构组件的失效工况分析

4．5．2锁紧机构组件的有限元分析

4．6卡箍结构的周向非一致性对密封，I生能的影响

4．7本章小结

第5章对接装置密封结构的数值模拟研究

5．1引言

5．2橡胶材料及其基本理论

5．2．1橡胶材料特性及本构模型

5．2．2橡胶的密封机理及失效准则

5．3对接装置法兰端面密封的设计与分析

5．3．1端面密封设计

5．3．2矩形槽O形橡胶圈密封有限元分析

5．4对接装置轴向密封格来圈的有限元分析

5．5对接装置径向密封C形圈的有限元分析

5．5．1有限元分析模型建立

5．5．2径向密封结构参数的优化

5．5．3密封结构参数最优时C形圈的应力分布云图

5．6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢