Детальная информация

Системы уплотнения прочных корпусов и входных люков глубоководных аппаратов выступают в качестве абсолютного барьера, обеспечивающего безопасность оборудования и экипажа. В экстремальных условиях глубоководья уплотнительные кольца длительное время находятся в сложном многоосном напряженном состоянии. По сравнению с традиционными уплотнениями натяжного типа, V-образное уплотнительное кольцо, благодаря свойству «самоподжима» и адаптации к давлению текучей среды, демонстрирует значительные технологические преимущества в глубоководной инженерии. Тем не менее, при сверхвысоком гидростатическом давлении и больших деформациях механическое поведение V-образного кольца характеризуется сильной физической и геометрической нелинейностью. В локальных зонах легко возникают интенсивные концентрации напряжений, приводящие к раздиру материала, а в реальных условиях сборки существуют строгие механические ограничения на величину погонной поджимающей силы (жесткости) уплотнительной системы. В настоящей диссертационной работе объектом исследования является V-образное резиновое уплотнительное кольцо люка глубоководного аппарата. На основе теории механики сплошных сред и нелинейного метода конечных элементов (МКЭ) проведено комплексное исследование его механических характеристик и структурной оптимизации. Во-первых, рассмотрены особенности больших деформаций и квазинесжимаемости эластомеров. С использованием модифицированной гиперупругой модели Огдена (Ogden) и тензора деформаций Грина-Лагранжа сформирована теоретическая база для контактного анализа больших деформаций с учетом двойной нелинейности (физической и геометрической). На этой основе разработана высокоточная численная конечно-элементная модель, позволившая оценить эволюцию контактных напряжений и пределы структурного разрушения для кандидатов резиновых материалов с различной жесткостью на этапах многостадийного нагружения (монтажный натяг и глубоководное высокое давление). Для устранения выявленных в базовом варианте при экстремальных эксплуатационных нагрузках недостатков, таких как концентрация сдвиговых напряжений на кромках и превышение допустимой монтажной силы поджатия, проведена целенаправленная оптимизация геометрического профиля поперечного сечения. За счет увеличения радиуса скругления в критических зонах удалось эффективно перераспределить локальные разрушающие напряжения, а путем корректировки ширины профиля был обеспечен точный контроль общей монтажной поджимающей силы системы. Результаты численного моделирования показывают, что оптимизированное V-образное уплотнительное кольцо при соблюдении ограничений на общую жесткость (силу поджатия) не только сохраняет достаточно высокие пиковые значения нормального контактного давления для обеспечения абсолютной герметичности, но и успешно удерживает максимальные локальные эквивалентные напряжения в пределах запаса прочности материала. Это фундаментально устраняет риск раннего структурного сдвигового раздира. Примененные в работе методы исследования и предложенные оптимизационные решения предоставляют важное теоретическое обоснование и инженерные ориентиры для проектирования надежных систем глубоководной герметизации высокого давления.

The sealing systems of pressure hulls and access hatches in deep-sea ve-hicles serve as the absolute barrier ensuring the safety of both equipment and crew. Under extreme deep-sea conditions, sealing rings are subjected to a com-plex multiaxial stress state for prolonged periods. Compared to traditional in-terference-fit seals, the V-shaped sealing ring demonstrates significant techno-logical advantages in deep-sea engineering due to its pressure-energized self-tightening characteristics and adaptability to fluid pressure. However, under ultra-high hydrostatic pressure and large deformations, the mechanical behav-ior of the V-shaped ring is characterized by severe physical and geometric non-linearities. Severe stress concentrations easily occur in local zones, leading to material tearing, while in actual assembly conditions, there are strict mechani-cal constraints on the linear compressive force (stiffness) of the sealing system. In this dissertation, the V-shaped rubber hatch sealing ring of a deep-sea vehicle is taken as the object of study. Based on continuum mechanics theory and the nonlinear finite element method (FEM), a comprehensive investigation of its mechanical characteristics and structural optimization is conducted. First, the characteristics of large deformations and the near-incompressibility of elas-tomers are examined. Utilizing the modified Ogden hyperelastic model and the Green-Lagrange strain tensor, a theoretical foundation is established for large-deformation contact analysis accounting for dual nonlinearities (material and geometric). On this basis, a high-precision numerical finite element model is developed, enabling the evaluation of contact stress evolution and structural failure limits for candidate rubber materials with varying stiffness during multi-stage loading phases (assembly interference and deep-sea high pressure). To eliminate the deficiencies identified in the baseline design under ex-treme operational loads—such as edge shear stress concentration and the ex-ceedance of allowable assembly compressive force—a targeted optimization of the cross-sectional geometric profile is performed. By increasing the fillet radi-us in critical zones, the local destructive stresses are effectively redistributed, and by adjusting the profile width, precise control over the overall assembly compressive force of the system is achieved. Numerical simulation results demonstrate that the optimized V-shaped sealing ring, while satisfying the overall stiffness (compressive force) constraints, not only maintains sufficient-ly high peak normal contact pressures to ensure absolute fluid-tightness but also successfully limits the maximum local equivalent stresses within the mate-rials safety margin. This fundamentally eliminates the risk of premature struc-tural shear tearing. The research methods applied and the optimization solu-tions proposed in this work provide crucial theoretical justification and engi-neering guidelines for the design of highly reliable deep-sea, high-pressure seal-ing systems.

• РЕФЕРАТ
• ABSTRACT
• СОДЕРЖАНИЕ
• ВВЕДЕНИЕ
• Глава 1. Резина и резиновые уплотнения
  • 1.1 Физико-механическая природа резиновых материалов
  • 1.2 Типичные механизмы разрушения резиновых уплотнений в условиях глубоководного высокого давления
    • 1.2.1 Выдавливание (экструзия) в зазоры сопряжения и кромочный срез
    • 1.2.2 Локальная концентрация напряжений при больших деформациях и макроскопическое раздирание
  • 1.3 Топологические характеристики поперечного сечения уплотнений и преимущества самоподжима V-образных колец
    • 1.3.1 Механические ограничения традиционных уплотнений сплошного сечения
    • 1.3.2 Адаптивные механические преимущества самоподжимных V-образных колец
  • 1.4 Критерии механического выбора и теоретической оценки марок эластомеров
• Глава 2. Нелинейная теория упругости
  • 2.1 Теоретические основы гиперупругости и механики сплошных сред
  • 2.2 Полиномиальный потенциал удельной энергии деформации
  • 2.3 Вырождение потенциала и аналитическое определение модуля Юнга
  • 2.4. Модифицированная модель Огдена для описания сверхбольших деформаций
• Глава 3. Метод конечных элементов
  • 3.1. Физическая абстракция и обоснование плоской расчетной модели
  • 3.2. Стратегия построения сетки и контроль объемного запирания
  • 3.3. Управление двойной нелинейностью и контактное взаимодействие при больших деформациях
  • 3.4. Граничные условия и многостадийная история нагружения
• Глава 4. Расчет и оптимизация уплотнений
  • 4.1. Определение определяющих параметров материалов и оценка монтажной жесткости базовой модели
  • 4.2. Оптимизация топологических размеров поперечного сечения и верификация снижения монтажного усилия
  • 4.3. Определение предела несущей способности оптимизированной модели в условиях глубоководной среды
  • 4.4. Верификация надежности герметизации в предельных рабочих условиях
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ