当前,我国已成功研制出“蛟龙号”深海载人潜水器,最高潜水深度超过7000m。载人舱是载人潜水器重要结构部件,主要包括钛合金耐压球壳和有机玻璃观察窗锥壳。深海压力作用下,蠕变是有机玻璃材料的重要破坏机理,微观上包括孔洞增长、龟裂(银纹)和大分子破裂等失效模式,宏观上表征为损伤。发展一套成熟的理论方法,结合数值分析与实验研究,阐明有机玻璃观察窗蠕变/损伤性能,对促进结构设计和标准制定具有重要价值。本论文研究工作包括3个方面,具体如下:1.基于三元件弹簧/粘壶粘弹模型,发展了有限元程序,运用ABAQUSUMAT编程实现;结合PMMA材料试样在不同应力水平(对应不同水深)下的蠕变实验和数值分析结果,辨识粘弹参数;数值程序应用于锥台形和球扇形观察窗的蠕变性能分析,分析了两种观察窗的承载变形特点,并且研究了水深等因素对观察窗蠕变性能的影响。2.经文献调研,目前国内外开展的PMMA材料和观察窗的蠕变建模与数值分析大部分没有考虑损伤特征。基于Burgers模型,创新性发展了一个蠕变/损伤耦合的本构模型和有限元算法,运用ABAQUS-UMAT编程实现;结合PMMA材料试样蠕变实验和有限元分析,辨识粘弹损伤参数;发展的理论模型和数值方法进一步应用于锥台形和球扇形观察窗的蠕变性能分析,研究了水深(100-500m,300m,7000m)、窗座/观察窗摩擦系数以及PMMA材料临界损伤量等因素对观察窗蠕变损伤性能的影响,并与三元件模型数值结果进行比较。3.机械密封结构中,O形圈最常用的材料为丁腈橡胶。考虑到窗座、窗体和O形圈之间的摩擦接触关系,基于有限元方法研究了100-500m水深下O形圈的超弹变形特征,并讨论了压缩率和密封间隙、水深和橡胶硬度对O形圈密封性能的影响规律。