基于有限元分析的深海载人潜水器观察窗寿命预测方法

1.本发明涉及潜水器观察窗结构性能分析技术，特别涉及一种基于有限元分析的深海载人潜水器观察窗寿命预测方法。


背景技术：

2.聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，简称pmma)，是一种高分子聚合物，俗称亚克力或有机玻璃，具有高透明度、低价格、易于机械加工等优点，目前已应用于制造深海载人潜水器的观察窗结构。由于海水的温度波动较小(约-2℃-30℃)，该温度范围内的pmma材料呈现脆性和粘弹力学性能，压力不变时出现蠕变(creep)现象，压力下降时蠕变恢复现象(recovery)。pmma材料微观失效机理复杂，包括孔洞(void)增长、龟裂(craze，具有阻止裂纹扩展的能力，属于增韧机理)和分子链破裂等，宏观上表现为模量下降和损伤特征。粘弹/蠕变与损伤之间呈现复杂的耦合机制。
3.深海载人潜水器的载荷环境是高压，且压力随深度增加而提高(如10000m水深下压力约100mpa)。潜水器在下潜、作业和上升过程中的载荷是变化的。pmma属于高分子材料，材料应力-应变响应是粘弹；微观上的失效宏观上表征为损伤；粘弹和损伤之间还存在复杂的耦合机制。针对pmma观察窗结构的粘弹/损伤行为，其在下潜过程中应力和应变呈现非线性的关系，且随水深增加均增长；作业时，由于水深不变，应力不变，但应变增长，为蠕变阶段；上升过程中，应变恢复，应力和应变均减小。
4.综上，由于材料的力学性能和观察窗结构的服役载荷环境均较复杂，目前还没有技术方法能够准确预测pmma观察窗在循环服役过程中的力学性能以及寿命。因此，本发明致力于突破该项技术方法，解决观察窗的循环服役寿命预测问题。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于有限元分析的深海载人潜水器观察窗寿命预测方法。
6.为解决技术问题，本发明的解决方案是：
7.提供一种基于有限元分析的深海载人潜水器观察窗寿命预测方法，包括下述步骤：
8.(1)建立观察窗结构几何模型和有限元模型，并简化为平面应变工况；
9.(2)根据深海潜水器下潜的速率、深度与时间，确定结构所受载荷与时间的关系；
10.(3)对观察窗结构所用有机玻璃材料进行拉伸/蠕变实验，对获得的曲线进行参数拟合，得到pmma材料的粘弹参数；
11.(4)在abaqus有限元软件内调用umat用户材料子程序，开展观察窗结构在下潜、作业和上升三个阶段的有限元分析，得到工程应力和工程应变在时间和空间上的分布结果；
12.(5)基于步骤(4)获得的计算结果，通过数据拟合和外推，对观察窗结构的服役寿命进行预测。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
14.l、本发明综合考虑了pmma观察窗结构的蠕变/损伤耦合机制和下潜-作业-上升的服役全过程，相较于现有技术(大部分仅考虑作业阶段)更贴近物理实际，具有重要应用价值。
15.2、相对于现有技术中普遍使用的实验或估算等方法，本发明方法基于有限元分析，能够获得更加准确的预测结果(理论预测值与实验值比较，误差在15％以内)。
附图说明
16.图1是四单元burgers粘弹模型；
17.图2是锥台形观察窗的轴向截面图；
18.图3是锥台形观察窗窗座的轴向截面图；
19.图4是有限元网格模型；
20.图5是载荷及边界条件；
21.图6是下潜-作业-上升过程中的载荷-时间曲线(下潜深度1000米)；
22.图7是最大应变-时间曲线：
23.图8最大应变-循环次数拟合曲线。
具体实施方式
24.本发明主要通过pmma材料粘弹/损伤本构建模与材料粘弹参数辨识、观察窗结构有限元分析，来预测结构服役寿命。基于burgers四单元粘弹模型，本发明发展了预测观察窗结构粘弹/损伤耦合的模型和有限元方法，全面考虑了观察窗结构下潜-作业-上升的完整服役过程中的载荷过程，考虑pmma材料蠕变/损伤耦合的力学性能，更贴近真实的物理环境，针对观察窗结构的服役寿命提出了可行的预测方法，具有实际应用价值。
25.本发明所述基于有限元分析的深海载人潜水器观察窗寿命预测方法，包括下述步骤：
26.1、建立观察窗结构几何模型和有限元模型，并简化为平面应变工况。
27.简化为平面应变工况的操作具体包括：对于具备对称几何特征和对称受力情况的观察窗结构，将其应变工况视为平面应变问题；以轴向平面作为截面截取观察窗结构的平面结构，取其中一半进行有限元分析，网格选择abaqus软件中的cpe4平面应变单元。
28.2、根据深海潜水器下潜的速率、深度与时间，确定结构所受载荷与时间的关系。
29.将观察窗结构的载荷视为均匀分布的压力载荷，根据潜水器的下潜深度和海水密度计算其表面所受压力；定义观察窗结构外表面均布压力加载曲线，由下潜深度-时间曲线换算得到压力-时间曲线。
30.3、对观察窗结构所用有机玻璃材料进行拉伸/蠕变实验，对获得的曲线进行参数拟合，得到pmma材料的粘弹参数。
31.本发明利用matlab软件对pmma材料拉伸实验曲线进行参数拟合，得到材料粘弹参数；
32.在进行参数拟合时，使用burgers四单元弹簧/粘壶粘弹本构模型，其基本方程如下：
[0033][0034]
其中：σ为应力，ε为应变；e1为弹簧杨氏模量，e2为外置弹簧杨氏模量；η1为粘壶系数，η2为外置粘壶系数；分别是kelvin模型内的应变、kelvin模型外弹簧的应变、kelvin模型外粘壶的应变、kelvin模型内粘壶的应变的率和kelvin模型外粘壶的应变的率；
[0035]
对方程(1)进行laplace变换，在常应力条件下引入幂指数型方程来描述蠕变过程的第三阶段，得到下述计算方程：
[0036][0037]
其中：ε(t)、σ0分别是t时刻的应变和蠕变的常应力；m、α和β为待拟合参数，t为时间；
[0038]
为表征蠕变过程中的损伤行为，在方程(2)中引入损伤变量f，将其改写为：
[0039][0040]
损伤变量f表达为：
[0041][0042]
其中：fc表示临界损伤量，不同应力水平σ0下的fc值不同，即fc与σ0相关；ε0为损伤初始应变，εc是损伤断裂应变；
[0043]
由于损伤变量fc与应变σ0是耦合的，不能通过直接拟合的方式获得损伤变量，因此先基于实验数据和方程(2)拟合不含损伤的粘弹模型参数；然后基于方程(3)开展有限元分析，其中每次有限元分析迭代步结束后，更新完应变ε后再计算f，更新方程(3)后开展下一次有限元迭代分析。
[0044]
4、在abaqus有限元软件内调用umat用户材料子程序，开展观察窗结构在下潜、作业和上升三个阶段的有限元分析，得到工程应力和工程应变在时间和空间上的分布结果。
[0045]
(4.1)在调用umat子程序时，利用步骤3中拟合得到pmma材料的粘弹参数获得材料的粘弹应力-应变本构模型，将其作为观察窗结构粘弹/蠕变有限元分析的材料模型；然后建立观察窗结构的有限元模型，开展结构粘弹/蠕变有限元分析，
[0046]
(4.2)深海潜水器在下潜时处于粘弹阶段，应力和应变增长；在作业时处于蠕变阶段，应力不变、应变增长；在上升时处于蠕变恢复阶段，应力和应变下降；根据这三个循环的服役工况下的承载情况，在abaqus有限元软件中对观察窗结构施加循环压力载荷，将其视为下潜/上升速率和服役时间的函数关系并基于有限元分析计算，获得观察窗在上述三个工况下的工程应力和工程应变分布的输出结果。
[0047]
5、基于步骤4获得的计算结果，通过数据拟合和外推，对观察窗结构的服役寿命进
行预测。
[0048]
由于通常观察窗结构从蠕变初始到蠕变断裂所需的时间较长，需要对计算结果进行合理外推来对蠕变寿命进行预测。采用pmma材料的临界断裂应变作为观察窗结构的破坏准则，对循环加载过程中的最大应变和循环次数进行拟合，根据计算结果对结构的最大下潜次数进行外推，并换算得到观察窗结构的预测服役寿命。
[0049]
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合针对某型号的锥台形观察窗结构蠕变/损伤性能分析研究的实例，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0050]
图2示意了该型号锥台形观察窗的轴向截面图，其设计参数包括外圆直径d1＝640mm，内圆直径d2＝200mm，厚度h＝220mm和半锥度角α＝45
°
。图3示意了该观察窗的窗座，设定接触面切向摩擦系数为0.1，法向为硬接触。
[0051]
对锥台形观察窗结构进行有限元建模，单位mm。观察窗整体结构为平面应变，平面应变网格模型分别如图4所示。观察窗材料采用pmma，窗座材料为钛合金。
[0052]
基于abaqus软件开展蠕变分析，需建立静态、粘性分析步两个步骤，考虑几何非线性。观察窗与窗座摩擦接触设置同第一个阶段，摩擦系数为0.1，硬接触。由于观察窗窗座与深海潜水器舱体结构为一个整体，通常使用高强度钛合金，因此在观察窗结构的对比分析中假定其不发生变形为纯刚体，在设定边界条件时采用完全固定，载荷单独加载于观察窗结构上表面，如图5所示。
[0053]
深海潜水器在承受的是载荷是变化的，下潜时载荷随时间增大，作业时潜水器在固定深度小幅度波动，上浮时载荷随时间减小。为方便分析，简化工况，假设潜水器上浮、下潜的速率恒定，作业时载荷恒定不变。每次下潜-作业-上浮过程中，观察窗所受的载荷如图6所示(以1000m为例)。
[0054]
未知粘弹参数包括e1，e2，η2，m，α和β，损伤变量f需通过模拟试值的方法获得。采用matlab软件拟合获得粘弹参数值，见表1。
[0055]
表1参数拟合结果
[0056][0057]
从表中可以看到，1400n载荷下拟合的粘弹参数具有最好的准确度，故采用这一组拟合参数作为umat子程序的输入参数进行有限元分析。
[0058]
模拟观察窗不同深度单次下潜工况下的应变分析，加载的载荷与作业时长见表2。以1000m深度进行下潜-作业-上浮过程为例，0-1723s潜水器下潜，1723-13767s潜水器于1000m水深作业，13767-15506s潜水器上浮。载荷大小设定为10.045mpa，幅值如表2所示。
[0059]
表2 1000m深度的载荷表
[0060][0061]
对观察窗结构进行循环加载，即将上述载荷谱循加载到结构上，将每次循环中的最大应变对循环次数进行拟合，如图7和8所示。以pmma材料的临界断裂应变0.4为观察窗结构的破坏准则，外推得到最大下潜次数为295次，并根据每次下潜时间15506s换算出服役寿命约为1270h。
[0062]
以上所述为本发明的实施例，对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。