水下压力补偿用波纹管的力学性能分析及结构设计

摘要

深海压力问题是各种水下仪器设备所面临和必须首先解决的共性问题，压力补偿是当前国内外常用的、优先考虑和选择的途径。在诸多压力补偿装置中，波纹管式压力补偿装置被广泛使用，作为压力补偿装置主体元件的波纹管的性能直接影响整个装置的性能。　　本文利用有限元法，在考虑几何、材料非线性情况下，对承受轴向载荷的U型波纹管进行非线性静力分析，探讨了该类型波纹管在深海压力环境下作为压力补偿元件的力学性能。提出了波纹管变形后体积变化量的计算方法；在考虑液体可压缩性基础上，推导出波纹管体积变化量与内外压差以及相应工作水深间的关系公式，并给出了相应的计算流程；结合充油式深海压力传感器的压力补偿用波纹管，分析了轴向刚度与补偿性能间的关系，并进一步分析了波纹管的结构参数(壁厚、波高、波数)对其轴向刚度的影响；采用正交试验法对波纹管波纹参数取值进行优化，获得了波纹管性能较优的波纹参数范围；在上述研究的基础上，提出了一种用于水下压力传感器的压力补偿装置的双波纹管设计方案，为水下传感器的压力补偿装置的设计提供参考。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 问题的提出

1.1.2 波纹管的国内外研究现状

1.2 本课题研究的意义

1.3 本文研究的主要内容

第二章 波纹管基本理论

2.1 波纹管的分类原则和材料属性及加工方法

2.1.1 波纹管分类

2.1.2 波纹管的材料

2.1.3 波纹管加工方法

2.2 金属波纹管

2.2.1 波纹管几何参数

2.2.2 波纹管性能参数

2.2.3 波纹管的结构和类型

2.3 本章小节

第三章 水下压力补偿装置及其波纹管元件力学性能分析

3.1 有限元法简介

3.2 有限元分析软件ABAQUS介绍

3.3 波纹管的非线性有限元分析

3.3.1 非线性原理

3.4 波纹管式压力补偿装置

3.4.1 波纹管压力补偿装置工作原理

3.4.2 波纹管结构参数和模型

3.5 波纹管体积变化量及内外压差计算公式的推导

3.5.1 波纹管变形引起的体积变化量计算

3.5.2 仪器设备工作水深与内外压差的关系

3.6 波纹管内外压差的计算流程

3.7 波纹管有限元模型的建立

3.7.1 波纹管的结构参数

3.7.2 模型的建立及简化

3.7.3 单元类型的选择

3.7.4 网格的划分

3.7.5 波纹管的三维有限元模型

3.7.6 边界条件

3.7.7 应力评定准则

3.8 有限元分析结果及其作为补偿元件的性能

3.9 波纹管允许位移

3.10 本章小节

第四章 波纹管轴向刚度的研究

4.1 波纹管的刚度计算

4.1.1 波纹管的轴向刚度

4.1.2 波纹管刚度分类及计算方法

4.1.3 压力补偿用U型波纹管轴向刚度计算

4.2 波纹管结构对其轴向刚度的影响

4.2.1 波数对波纹管轴向刚度的影响

4.2.2 波高对波纹管轴向刚度的影响

4.2.3 壁厚对波纹管轴向刚度的影响

4.2.4 波纹管结构对其性能影响规律总结

4.3 本章小节

第五章 波纹管的优化设计

5.1 波纹管性能的优化

5.2 考虑单一因素对波纹管性能的影响

5.2.1 波数比r的影响

5.2.2 外径比g的影响

5.3 基于正交试验法的多因素研究

5.3.1 试验考察指标

5.3.2 试验因素和水平的确定

5.3.3 求解试验结果数据

5.3.4 试验结果分析

5.4 加工方法

5.5 一种波纹管式压力补偿装置的概念设计

5.5.1 补偿原理

5.5.2 装置结构介绍

5.6 本章小结

第六章 全文总结及展望

6.1 全文总结

6.2 存在不足及对未来展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文