Design and research on a variable ballast system for deep-sea manned submersibles

Variable ballast systems are necessary for manned submersibles to adjust their buoyancy.In this paper,the design of a variable ballast system for a manned submersible is described.The variable ballast system uses a super high pressure hydraulic seawater system.A super high pressure seawater pump and a deep-sea brushless DC motor are used to pump seawater into or from the variable ballast tank,increasing or decreasing the weight of the manned submersible.A magnetostrictive linear displacement transducer can detect the seawater level in the variable ballast tank.Some seawater valves are used to control pumping direction and control on-off states.The design and testing procedure for the valves is described.Finally,the future development of variable ballast systems and seawater hydraulic systems is projected.

Path Following Control of A Deep-Sea Manned Submersible Based upon NTSM

In this paper, a robust path following control law is proposed for a deep-sea manned submersible maneuvering along a predeterminated path. Developed in China, the submersible is underactuated in the horizontal plane in that it is actuated by two perpendicular thrusts in this plane. The advanced non-singular terminal sliding mode （NTSM） is implemented for the design of the path following controller, which can ensure the convergence of the motion system in finite time and improve its robustness against parametric uncertainties and environmental disturbances. In the process of controller design, the close-loop stability is considered and proved by Lyapunov＇ s stability theory. With the experimental data, numerical simulations are provided to verify the control law for path following of the deep-sea manned submersible.

载人潜水器舱室空间舒适性复合评估方法

为改善载人潜水器舱室空间舒适性,针对深海载人潜水器强约束条件下舱室空间舒适性特征,提出基于虚拟仿真技术的舱室可视化空间舒适性多源复合评估方法.该方法以虚拟仿真技术为基础,将载人潜水器舱室空间三维数字化数据与潜航员人体数据相结合,构建数字化虚拟仿真模型;以快速相应与评估为标准,将人体舒适性进行分区,并对载人潜水器空间与功能特征进行系统的分析,依托人体生理学特征获取人体舒适性区域特征及空间约束映射,建立7项评估指标;结合6项人因评估工具构建舒适性多源复合评估模型,采用虚拟仿真技术开发空间舒适性可视化评估系统,并通过某型载人潜水器舱室空间优化设计,对舒适性多源复合评估方法和可视化评估原型系统进行可行性验证.研究表明,不同的任务作业姿态严重影响人体舒适性评估的准确性,狭小的舱室空间及舱内设备的布局进一步增大了作业姿态评估的难度.采用空间舒适性复合评估方法能够准确的描述多种姿态下空间舒适性程度,同时多源和可视化的技术特点在一定程度上提升了空间设计方案评估效率以及评估结果的可读性.

载人潜水器马氏体镍钢载人舱设计

"蛟龙"号与"深海勇士"号载人潜水器均使用钛合金作为载人舱的耐压结构材料,而俄罗斯"和平"号载人潜水器使用马氏体镍钢材料设计与制造载人舱及其他耐压罐体。对于这种超高强度钢用于载人舱的设计制造,国内尚无应用经验。文章对马氏体镍钢载人舱的结构设计、结构计算和规范适用性进行研究,总结马氏体镍钢用于载人潜水器耐压结构设计与计算的经验,以期推进马氏体镍钢在我国深海装备领域的应用。

全海深载人潜水器载人舱缩比结构模型试验研究

"十三五"期间中国提出了"深海进入、深海探测、深海开发"的海洋战略。全海深载人潜水器即是"深海进入"的重要装备,其核心部件载人舱的材料选择、设计标准、制造工艺以及结构安全评判就成为需要解决的技术问题。论文针对超高强度马氏体镍钢C250制造的载人舱缩比结构模型,进行压力筒静水压力测试;并对结构应力、极限载荷和体积收缩率进行测试,以研究超高强度马氏体镍钢应用于深海载人舱的设计、计算与制造的可行性。

舱内功能及人机工效导向的载人潜水器工作舱布局设计方法

[目的]大深度载人潜水器因球壳体积狭小带来的工作舱布局难的问题主要依靠设备的合理排布和对工作区域的优化调整来解决。以往的舱室设计多根据人体肌肉疲劳度要求进行设计,易造成设备排布过分集中或超出有限空间的现象,有可能引起设备安装、使用和维护上空间不足的问题,而注重舱内功能和人机工效这2种目标导向的设计方法则可避免这些问题。[方法]通过分析2种导向下的舱内功能系统约束与人机工效约束,提出以2种约束为基础的工作舱布局设计方法,形成针对大深度潜水器的舱室布局设计流程。以"蛟龙"号潜水器的舱内布局设计为例,按照所提出的流程进行方案设计,并利用JACK仿真分析系统等工具进行人机综合评价。[结果]结果显示,所给出的设计方案能给潜航员提供一个舒适、安全、省力的工作环境,所提出的2种导向下的布局设计方法合理有效。[结论]以舱内功能和人机工效为导向所做的方法研究解决了大深度潜水器狭小空间布局的问题,对同类多设备狭小空间的舱室布局设计有可借鉴之处。

全海深载人舱备选材料TB19的低周保载疲劳寿命和破坏模式的试验研究（英文）

全海深载人潜水器正在研制中,其载人舱材料的合理选择是保证潜水器在严峻环境中使用安全的重要因素。高强度钛合金TB19是全海深载人舱的备选材料之一,材料在使用过程中将承受高应力水平下的蠕变疲劳载荷的作用。文章对TB19的低周保载疲劳寿命和破坏模式进行了试验研究,并与已应用于在役载人舱的Ti-6Al-4V ELI材料的性能进行了对比。该研究结果可为后续全海深载人舱的选材和载人舱初步设计提供指导。

舱壁保温层对深潜器舱内温度的影响

通过数值模拟的方法,对深潜器下潜和巡航过程中的传热进行分析,研究下潜速度、保温层厚度、保温层导热系数对舱内温度和内壁面温度的影响。下潜速度的增加,从时间上考虑,对舱内温度影响较小。随着导热系数的增加,保温层厚度变化对舱内环境温度影响程度减小。导热系数一定时,保温层厚度增加,舱内环境温度会线性上升,而环境温度与舱内壁面温差则线性减小。随着保温层厚度的上升,导热系数的变化对舱内环境温度影响程度变大。保温层厚度一定时,导热系数增加,舱内环境温度会加速下降,环境温度与舱内壁面温差加速上升。因此,保温层导热系数应尽量选取靠近0.1 W/(m·K),而厚度以3cm为宜。

基于神经网络的深潜器载人舱损伤识别

深海潜水器载人舱是海洋深潜载人结构物的重要组成部分,保障着工作人员的安全,掌握该结构在长期使用过程中的健康安全状况非常必要。文章首先对4 500 m深海潜水器载人舱6个监测点进行加速度监测,得到其加速度的结点能量;再通过广义回归神经网络和概率神经网络对这些加速度结点能量进行训练;最后用训练好的神经网络进行预测。研究结果表明,对深海潜水器载人舱结构损伤位置的预测正确率可以达到90%左右,可以达到健康监测的目的。

观光潜水器载人舱大开口结构强度分析

文章分别采用规范计算和有限元分析对23客位观光潜水器载人舱大开口结构强度进行分析,并设计2种大开口结构加强形式。计算结果显示,文章设计的载人舱结构满足规范对强度和稳定性的要求,且设计的2种结构加强形式均能满足强度要求。文章计算结果可为大开口耐压罐体结构的优化设计提供参考。

大深度载人舱长期寿命评估中的影响因素

[目的]使用载人潜水器进行深海探测引起人们越来越多的兴趣,这需要在许多技术方面取得突破,特别是在建立可靠的载人潜水器安全性评估方法方面。[方法]为此,基于试验和数值计算方法,对影响潜水器载人舱安全性和可靠性的因素进行研究,包括固有孔洞缺陷的尺寸和数量对材料延展性能的影响、预压循环历史对材料拉伸性能的影响、保载时间对材料循环性能和裂纹扩展性能的影响。[结果]结果表明:广泛分布的材料内部缺陷通过影响材料延伸率而降低结构强度;在评估结构剩余寿命过程中,载荷序列中保持载荷时长的影响不可忽略;潜水器备选高强度钛合金材料的弹性模量、强度和延伸率等机械性能在经历压缩循环载荷历程之后变化不大。[结论]这些研究结果可为大深度载人舱长期服役寿命的评估提供参考。

潜水器载人舱的不确定性测度计算方法研究

本文研究状态函数中存在概率数和证据数的混合状态下的系统不确定性分析方法问题,用于解决在产品实现过程中部分信息的认知不足。传统概率分析方法无法建立认知不确定信息模型,无法反映产品在实现过程中不确定性影响的问题。本文将证据理论不确定度分析方法融入传统JC算法,在计算随机变量迭代时开展认知变量极值计算,进而可以处理随机和认知不确定性变量同时存在时的混合不确定性问题。本文建立了4500 m载人潜水器载人舱不确定度分析模型,基于改进JC算法计算得到载人舱失效似然性测度和失效可信性测度值,同时采用实验设计法对影响载人舱不确定性测度的因素进行分析,分析表明测度影响较大的因素是真球度和极限拉伸强度,测度对真球度和厚度两个因素的单位数量变化比较敏感。

载人潜水器舱室空间布局设计方法与应用研究

载人潜水器舱室空间布局设计是涉及到人机工程、工业设计、测量学、心理学、行为学、材料学和色彩学等多种学科的综合性的工作,在分析目前载人潜水器设计问题的基础上,引入工业设计方法和理论体系,建立了载人潜水器工业设计解决方法模型,研究了载人潜水器舱内布局设计对象,详细论述了从创意方案设计到效果表达输出的系统设计过程,并进行了人机功效等设计分析,最终获得了载人潜水器舱室布局设计方案。

潜航员认知效能驱动的作业舒适度评价方法

舒适的作业环境是人员高水平作业能力维持的重要保障,为实现载人潜水器舱室操作系统作业舒适度的定量评价,依据载人潜水器操作系统中显控界面、操作面板和通讯设备3个子系统的舒适性特征,提出潜航员认知效能驱动的载人潜水器舱室操作系统作业舒适度评价方法。该方法基于潜航员作业实际,分析潜航员认知流程,形成潜航员认知表现-效能-舒适度对应关系;依托操作系统作业舒适度实验数据,运用效用函数构建潜航员认知效能模型;采用支持向量机模型综合考虑子系统特征属性以及潜航员认知效能、年龄、学历等因素对子系统作业舒适度感知的影响;结合专家权重调查法,实现子系统作业舒适度耦合,确定操作系统作业舒适度。结果表明:当显控界面亮度、对比度和自然饱和度分别界于[-25,0],[-50,-25],[-25,0]范围,操作面板设计具有合理的布局参数和待布区形心相对位置,以及通讯设备中环境噪声频率较低和通信语音采样频率为48000 Hz时,操作系统具有较高的舒适度。本研究表明,潜航员认知效能与主观舒适度具有相同的变化趋势,基于潜航员认知效能判断舱室操作系统作业舒适度的方法可行。

载人潜器载人舱出入舱口加强结构优化

针对载人潜器出入舱口加强结构,采用最优拉丁超立方方法进行了样本点的选取,利用有限元分析软件对样本点进行了临界应力和载荷的计算,采用响应面模型对样本点进行了近似,得到了满足工程要求的近似模型,进一步以临界载荷为约束、以载人舱质量和临界应力为目标函数建立了载人舱出入舱口加强结构多目标优化模型,最后针对该多目标优化模型采用第二代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行优化的求解,得到了优化结果,为载人舱出入舱口加强结构设计提供了依据。