深潜装备材料发展关键技术研究

本文以深潜装备材料应用需求为导向,深入研究当前各国主要耐压壳体材料和固体浮力材料的应用现状及发展趋势。通过对材料的机械性能、化学成分等指标进行对比分析,提出了当前深潜材料发展遇到的系列技术瓶颈问题和相应解决方案。通过深入分析各国深潜材料的关键技术和性能指标,发现其总体趋势均向着高强度、低密度方向发展,但在尝试进一步提升材料性能指标时,却导致材料出现韧度降低、焊接性能差、吸水率增高等系列缺陷。因此,尝试研发各项性能优异的空心陶瓷和纳米复合材料等新型材料。陶瓷基复合材料和碳纳米管增强浮力材料以其优异的结构强度和抗压性能,必将大幅提升深潜装备的总体性能指标,成为深潜器的重要选材。

坐底式潜标观测系统及其在天然气水合物区的试验性应用

为满足天然气水合物调查区对海底环境长期原位监测的需求,研发了坐底式潜标观测系统(海底观测基站),该系统是研究海底尤其是天然气水合物区海底环境特征的关键技术手段,可用于采集海底边界层位长期连续环境参数,评估天然气水合物开采可能引发的环境影响,为安全有效地使用天然气水合物资源提供科学依据。坐底式潜标观测系统采用坐底式设计,最大工作深度4 000m,搭载了甲烷、二氧化碳、温盐深、溶解氧、浊度计、透射计、声学多普勒剖面仪以及定点海流计等传感器,通过声学释放器丢弃抛载锚完成上浮回收。研制完成后,成功在南海北部陆坡区进行了试验性应用,顺利完成回收,并采集到试验站位海底边界层位预定观测的各海洋物理化学环境参数。本系统在水下连续工作时间不小于180天,并可根据需求增加电池仓,延长观测周期,使长期监测能力覆盖整个水合物开采周期,可对开采前、中、后海底甲烷的泄漏情况进行对比,并对甲烷的来源进行分析,具有重要的现实意义和良好的应用前景。

基于OrcaFlex的坐底式海底潜标释放系统运动仿真分析

坐底式海底潜标系统可用于采集海底边界层物理化学等参数,是海洋天然气水合物勘查开发过程中必不可少的关键技术手段。海底潜标的回收上浮过程易受波浪和海流等环境因素的影响,不同环境对上浮过程速度及偏移量的影响不尽相同。为了保障海底潜标精准回收和数据安全,研究坐底式海底潜标系统上浮过程受力分析及动态响应尤为重要。本文基于OrcaFlex软件对坐底式海底潜标释放上浮过程进行了模拟仿真,针对坐底式海底潜标和主体结构释放回收过程分别建立了有限元分析模型。通过设计系统及环境参数完成了坐底式海底潜标释放回收过程中受力分析及动态响应计算,为坐底式海底潜标系统的设计研发和回收作业提供指导。模拟结果表明,海底潜标在2000 m水深处被释放后约18 min上浮至海面。受洋流影响,上浮速度约2 m/s,上浮过程水平偏移量约70 m。海试验证表明,实际情况与模拟结果一致,该潜标的回收上浮过程满足可控范围内安全条件。坐底式海底潜标在释放后被顺利打捞,验证了该系统方案设计的可行性,为海洋数据安全回收及工程应用提供了基本保障。

在潜器中加装浮力材料以提升水下初横稳心高的敷设位置研究

[目的]为了解决在潜器中敷设浮力材料以提升水下初横稳心高尚无定量指导依据的问题,在推导得到浮力材料敷设的临界高度计算公式的基础上,计算确定浮力材料应敷设的垂向高度,并据此进一步给出浮力材料和压载铁敷设的纵向位置建议。[方法]首先,通过推导敷设浮力材料后的全船初横稳心高函数,利用偏微分的数学方法得到浮力材料体积、重心等对稳性的影响方式;然后,通过等价代换的数学手段得到稳性变化临界情况下浮力材料重心理论高度计算式;最后,为了更好地研究和理解这一临界高度计算公式以及其他参数如排水量、敷设前稳心高等的影响,构建典型浮力材料敷设剖面的数学模型,并进行多算例对比分析研究。[结果]结果显示,所设计算例中初横稳心高最好可提升约1.8%,若进一步放开纵横垂向的限制,或将获得更优结果。[结论]所做研究可直接指导浮力材料敷设方案,所得到的一些对工程实际有重要意义、简便实用的浮力材料敷设原则,可供设计人员参考使用。