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深海保压防污物采样器设计与研究

2020-12-08阅读(395)

深海保压防污物采样器设计与研究

论文摘要

海水蕴含着丰富的信息。分析研究水样物理、化学特性,对探寻深海矿物资源、了解海洋微生物特性、认识地球内部自然规律等有着重要意义。市面上,现有深海保压采样器普遍存在样品污染问题,且至今仍罕见针对万米深海的保压采样装置。本文针对此问题提出了一种可用于万米深海的新型保压防污物采样筒体结构,并对其关键技术展开了研究,主要内容如下:调研了国内外先进深海采样器的采样原理及结构特点,整理分析了现有深海采样器存在的样品防污物机构、超高压密封形式、样品保压方案、整体紧凑结构等设计技术难点,为新型采样装置设计提供了技术背景。针对样品污染问题,提出了一种带污水收集功能的新型筒体结构,利用带截面差的活塞将筒体分隔出样品腔、污水腔、蓄能腔,最后对新型采样器各部分组成、安装、工作原理进行了详细阐述。针对采样器端部关键密封部位在不同海深工况下的密封可靠性问题,选用了加强型组合式直角密封圈,并基于ANSYS有限元软件进行了非线性仿真,通过对密封圈接触状况的分析,发现挡圈与端部配合面的接触情况是密封成功与否的关键点,并通过挡圈接触压力的计算验证了所选组合式端部直角密封圈在各海深下的密封可靠性,为后续机构设计提供了参考。针对提出的新型采样筒体结构预充压力限制条件及保压率计算问题,分析了样品采样蓄能原理,得到了不同海深下预充压力大小的限制条件。并结合筒体变形方程与海水、气体状态方程推导了样品终态压降数学计算模型,通过计算验证了所选筒体基本尺寸满足采样工作原理及样品终态压降条件的要求。针对提出的保压采样器结构,计算了筒体、活塞、螺纹套筒等关键部件尺寸,并结合超高压容器设计规范推导了针对采样器特殊筒体连接结构的强度校核公式。随后基于ANSYS有限元软件对连接结构进行了仿真分析并通过优化四合环与筒体端部及螺纹套筒沟槽端部接触处圆角参数减轻了应力集中现象,仿真验证了采样器结构的合理性。

论文目录

  • 致谢
  • 摘要
  • Abstract
  • 1 绪论
  •   1.1 研究背景与意义
  •   1.2 国内外相关研究进展
  •     1.2.1 国外研究现状
  •     1.2.2 国内研究现状
  •   1.3 研究难点
  •   1.4 本文研究内容
  •   1.5 本章小结
  • 2 深海保压采样器系统整体方案
  •   2.1 引言
  •   2.2 采样器设计指标与作业环境
  •   2.3 采样器系统分析与设计
  •     2.3.1 采样器系统的功能分析
  •     2.3.2 采样器关键技术设计
  •   2.4 采样器系统方案说明
  •     2.4.1 采样器系统安装流程
  •     2.4.2 采样器系统取样过程
  •   2.5 本章小结
  • 3 密封圈可靠性建模与分析
  •   3.1 引言
  •   3.2 接触问题概述
  •   3.3 接触分析步骤
  •   3.4 基于ANSYS的有限元仿真
  •     3.4.1 密封圈类型及材料模型确定
  •     3.4.2 密封圈和沟槽尺寸
  •     3.4.3 加强型组合直角密封圈有限元模型建立
  •     3.4.4 密封圈过盈安装
  •     3.4.5 流体压力加载
  •     3.4.6 网格无关性验证
  •   3.5 仿真结果分析
  •     3.5.1 应力分析
  •     3.5.2 密封环接触压力分析
  •   3.6 小结
  • 4 新型采样器采样原理可行性及保压性能分析
  •   4.1 引言
  •   4.2 新型采样器采样原理可行性分析
  •     4.2.1 采样器初始长度确定
  •     4.2.2 蓄能腔气腔初始有效预充体积的计算
  •     4.2.3 蓄能气腔预充压力限制条件分析
  •   4.3 样品终态压降模型
  •     4.3.1 高压海水状态方程
  •     4.3.2 终态水体及气体体积计算
  •     4.3.3 终态筒体容积计算
  •     4.3.4 终态样品压力方程
  •   4.4 结果分析
  •     4.4.1 目标海深压降结果
  •     4.4.2 预充压力与采样体积、终态压力的关系
  •   4.5 小结
  • 5 深海保压采样器结构设计与优化
  •   5.1 引言
  •   5.2 装置结构材料选择
  •   5.3 采样器关键结构及尺寸设计
  •     5.3.1 筒体结构设计
  •     5.3.2 筒体结构尺寸设计
  •     5.3.3 螺纹套筒结构设计与尺度计算
  •     5.3.4 变截面活塞杆及其配件结构设计
  •   5.4 筒体连接机构ANSYS有限元分析与优化
  •     5.4.1 深海采样器新型连接机构整体有限元分析
  •     5.4.2 结果分析
  •     5.4.3 参数优化
  •   5.5 小结
  • 6 结论与展望
  •   6.1 全文总结
  •   6.2 本文创新点
  •   6.3 展望
  • 参考文献
  • 作者简历

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 金华杰

    导师: 冷建兴

    关键词: 热液系统,防污物结构,深海采样器,保压性能,高压密封

    来源: 浙江大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 海洋学

    单位: 浙江大学

    分类号: P716

    DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.000092

    总页数: 87

    文件大小: 6791K

    下载量: 49

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