【摘 要】
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人类的高速发展导致陆地资源被大规模开采,尤其是不可再生资源的大肆消耗,促使人与自然之间的矛盾日益加剧,人们的目光也逐渐投向了海洋和深海,对深海与深渊（6000m-11000m）区域的探索和开发利用业已逼在眉捷。各类型深海潜水器等装备的研制也成为了当今世界各国竞相角逐的热点,我国也随着“蛟龙”号的成功研制进入了高速发展时期。观察窗作为载人潜水器和设备等观察认知海底世界的唯一媒介,既作为潜水器重要的承
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人类的高速发展导致陆地资源被大规模开采,尤其是不可再生资源的大肆消耗,促使人与自然之间的矛盾日益加剧,人们的目光也逐渐投向了海洋和深海,对深海与深渊（6000m-11000m）区域的探索和开发利用业已逼在眉捷。各类型深海潜水器等装备的研制也成为了当今世界各国竞相角逐的热点,我国也随着“蛟龙”号的成功研制进入了高速发展时期。观察窗作为载人潜水器和设备等观察认知海底世界的唯一媒介,既作为潜水器重要的承压部件之一,其结构设计也直接关系着潜水装备、设备和人员的生命安全等。因此,观察窗结构的安全设计与性能优化对于现代潜水器装备与设备的研制是具有重要的科学价值与工程意义。本文以适用于全海深观察窗的有机玻璃作为研究对象,基于当前国内外观察窗结构设计方法中的缺陷,以构建观察窗结构分析中材料的科学准确依据,从线性和非线性两个角度出发,对全海深观察窗有机玻璃的粘弹性力学性能进行研究,并研究粘弹性结构性能对观察窗结构的影响,从而解决目前观察窗结构设计与研制中尚存的技术难题。研究内容主要包括以下几方面:（1）根据观察窗结构材料的材质特性和结构形式进行了对比分析,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;综合比较国内外对PMMA粘弹性材料本构关系的研究与结论,分析粘弹性的基本特点,研究适用于全海深观察窗结构的有机玻璃本构关系基本模型。（2）基于粘弹性本构理论和割线模量理论,对有典型有机玻璃材料进行材料试件拉伸、压缩实验和数值模拟分析的对比研究。通过不同温度与应变率条件下对加载过程的有限元计算和比较,结论证明了基于割线模量的线弹性模拟分析对于玻璃材料的粘弹性力学行为分析是有效的,由此拟合出适用于有机玻璃应力-应变的回归公式,并确定了理论上构建玻璃粘弹性本构模型的基础。（3）基于粘弹性基本理论模型,结合有机玻璃超弹性本构关系的特点,本文提出一种建立在广义Maxwell模型模拟观察窗有机玻璃的粘弹性本构模型。通过对粘弹性本构模型与材料典型试验曲线建立关联,并求解有限元软件分析的参数和进行数值模拟计算,由此完成计算有机玻璃在复杂载荷和接触边界约束下的位移、应力和应变等力学性能。（4）通过对系列有机玻璃松弛曲线数据分析,拟合并求解得到PMMA材料相应本构模型Prony级数参数,并通过有限元数值模拟方法对观察窗规范数据试验模型进行建模仿真和验证。结果表明有限元计算中对应有机玻璃材料本构模型的参数确定方法,满足观察窗数值模拟求解的需要,同时也证明该本构模型适用于真实环境下观察窗的数值模拟。（5）通过分析不同结构参数（厚径比t/Di、锥角α、压力P）下的观察窗模型,研究了观察窗结构的粘弹性结构特性。计算结果表明随着锥角和厚径比的减小,由于有机玻璃的粘弹性,观察窗结构的应力集中现象能够得到改善;且在锥角和压力一定的情况下,轴向位移和厚径比呈反比例,即在观察窗设计时可以考虑增加窗体厚度来减少观察窗的轴向位移等。综上所述,本文基于粘弹性理论和有限元非线性理论,对全海深观察窗玻璃材料的粘弹性力学行为与本构模型展开相关研究。通过有机玻璃材料的力学实验,构建并拟合出其粘弹性本构模型,从而进一步对比分析试验与数值仿真数据,并验证其合理性和可靠性。鉴于观察窗结构多参数、变载荷和加载速度等多方面的影响,本文对全海深观察窗玻璃的粘弹性特性以及结构属性等方面进行了较为深入的研究。通过本文研究,对建立深海乃至全海深观察窗用有机玻璃粘弹性物理表征技术与工程结构设计方法奠定了理论基础。
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