潜水器观察窗用有机玻璃的损伤与破坏行为

潜水器观察窗是深海载人潜水器的唯一非金属结构部件,研究该观察窗用有机玻璃材料的损伤破坏行为以及抗裂纹扩展性能对潜水器观察窗使用寿命以及安全可靠性评估具有重要意义。根据观察窗有机玻璃的受载形式,进行拉伸、压缩、剪切、断裂韧性、应力银纹等测试,表征与服役损伤相关的关键力学性能;研究可能出现的损伤缺陷对有机玻璃关键力学性能的影响;结合潜水器观察窗玻璃的损伤缺陷情况,对观察窗用有机玻璃的缺陷(裂纹)扩展性能进行了研究。结果表明,潜水器观察窗用有机玻璃的压缩强度为115 MPa,剪切强度为62.6 MPa,与无机玻璃、定向有机玻璃、聚碳酸酯等材料相比,具有强度高、变形量小、不会突然发生破坏等优势;潜水器观察窗用有机玻璃的抗银纹引发以及抗裂纹扩展的性能较好,应力银纹强度为20.6 MPa、断裂韧性为1.66 MPa·m^(1/2);有机玻璃银纹损伤对拉伸、压缩、剪切静强度基本无影响;与银纹损伤相比,微裂纹缺陷使得压缩屈服强度略有降低但裂纹不扩展,使剪切强度降低约15%且破坏程度剧烈,对拉伸强度影响最大,使其降低约70%。

深海潜水器观察窗玻璃损伤缺陷研究

作为载人潜水器唯一的非金属承压部件,观察窗玻璃的结构强度和可靠性直接影响载人潜水器的安全性。经模拟极限服役工况的静水外压试验后,观察窗玻璃的锥面出现了视觉可见的缺陷,研究这些缺陷对指导观察窗玻璃的安全使用及评价其可靠性具有重要意义。利用光学显微镜对这些缺陷进行了表征及测量,并按照其特征,对潜水器观察窗的缺陷进行了定义和分类;同时,利用有限元对观察窗玻璃受力情况进行分析,给出了静水外压试验过程中观察窗玻璃的应力、应变以及位移分布,结合缺陷特征,初步阐释了缺陷出现的机理及这几类缺陷之间的联系。