Разработка и исследование метода многослойных оболочек с различным гидростатическим давлением в подводных технологиях

Холоднов, Анатолий Алексеевич

Разработка и исследование метода многослойных оболочек с различным гидростатическим давлением в подводных технологиях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 11.00.08, кандидат технических наук Холоднов, Анатолий Алексеевич

Холоднов, Анатолий Алексеевич
кандидат технических наук
2000

Специальность ВАК РФ11.00.08

Количество страниц 206

Холоднов, Анатолий Алексеевич. Разработка и исследование метода многослойных оболочек с различным гидростатическим давлением в подводных технологиях: дис. кандидат технических наук: 11.00.08 - Океанология. Москва. 2000. 206 с.

Оглавление диссертации кандидат технических наук Холоднов, Анатолий Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ПЕРСПЕКТИВЫ ОСВОЕНИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЖЕЛЕЗОМАРГАНЦЕВЫХ КОНКРЕЦИЙ И РАЗВИТИЕ ПОДВОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ИХ ОБЕСПЕЧЕНИЯ.

1.1. Анализ месторождений железомарганцевых конкреций. И

1.2. Подводно - технические работы как составная часть номенклатуры работ на подводных месторождениях.

1.2.1.Классификация подводных работ на морском месторождении.

1.2.2.Влияние внешней среды как определяющего фактора на производственный процесс при выполнении подводно - технических работ.

1.2.3.Влияние этапа освоения месторождения на номенклатуру подводно - технических работ.

1.3. Основные методы выполнения подводных работ и конфигурация подводных аппаратов, обеспечивающих подводно - технические работы.

1.3.1.Классификация подводных аппаратов, обслуживающих месторождения.

1.3.2.Средства обеспечения работы необитаемых подводных аппаратов.

1.3.3.Анализ и перспективы использования необитаемых подводных аппаратов в целях морской добывающей промышленности.

- 2

1.3.4.Модель выбора типа системы подводного обслуживания месторождения.

1.4. Специализированный флот.

1.4.1.Место подводных аппаратов в составе флота.

1.4.2.Требования к оснастке судов обеспечивающих спуско-подъемные операции подводного добычного комплекса.

ГЛАВА II. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРОЧНЫХ КОРПУСОВ ПОДВОДНЫХ НЕОБИТАЕМЫХ АППАРАТОВ ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТИ ДЛЯ РАБОТЫ НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ ЖМК, НАХОДЯЩИХСЯ НА

АБИСАЛЬНЫХ ГЛУБИНАХ.

2.1. Анализ условий выполнения работ по добыче ЖМК и требования к НПА.

2. 2. Погружные системы НПА и анализ их составляющих. 54 2. 3. Методика организации многослойной герметизации

2.4. Реализация методики многослойной герметизации корпуса ПА.

2.5. Подбор жидких диэлектриков для заполнения меж-оболочечнх пространств корпуса ПА и погружнх систем находящихся в них.

2.6. Инженерная методика решения задачи конструирования многослойного корпуса НПА.

2.7. Обеспечение и регулирование плавучести подводного аппарата многослойной конструкции.

ГЛАВА III РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ МНОГО

СЛ0ЙН0Г0 КОРПУСА ПОДВОДНОГО АППАРАТА.

3.1. Математическая модель многослойного корпуса ПА.

3.2. Решение задачи для Р < PKDl.

- 3

3.3. Решение отвечающее условию Р > Ркр1; Ркр2 : . Ю

3.4. Решение для случая Р > Ркр1 ; > ркрг . Ю

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование метода многослойных оболочек с различным гидростатическим давлением в подводных технологиях»

Актуальность проблемы. В связи с задачей третьего тысячелетия изучения и освоения Мирового океана возникает необходимость совершенствования и разработки новых подводных технологий. По мере роста требований к надежности и технической сложности подводного оборудования, используемого на недоступных для водолазов, как по глубине так, и по времени непрерывного проведения подводных работ, возникает необходимость частичного или полного пересмотра теоретических и практических методов создания подводного оборудования. Для развития новой и своеобразной техники, обеспечивающей широкую номенклатуру подводно-технических работ на больших глубинах, продолжительное время с выполнением широкого спектра работ необходимо создать и внедрить принципиально новые подводные технологии.

Под термином "подводные технологии" будем понимать совокупность приемов и методов, направленных на изучение и изменение качественных характеристик объектов, находящихся в условиях окружающего водного пространства.

В настоящее время организация защиты элементов подводных аппаратов от внешнего гидростатического давления идет по пути их размещения в прочных корпусах, за исключением отдельных маслоза-полненных устройств, связанных между собой прочными кабельными линиями. Однако они конструктивно сложны и часто ненадежны. Организация погружной системы подразумевает объединение всех погружных элементов в единую маслозаполненую систему, находящуюся под воздействием гидростатического давления. Они легки и надежны, но имеют ряд недостатков. Неразъемные электрокоммутационные линии в шлангах затрудняют обслуживание погружной системы и требуют использования заполнителя одного типа. Выход из строя хотя бы одного из узлов неизбежно приводит к обводнению заполнителя и созданию агрессивных условий для погружных элементов. Чем выше внешнее гидростатическое давление, тем требуются более сложные и материалоемкие герметизирующие узлы для сохранения уровня надежности и долговечности работы. Обтекатели подводных аппаратов делают его более громоздким и менее маневренным. Но это пока единственный способ обеспечить минимальные габариты и массу подводного аппарата при достижении наибольшей надежности в отличии от способа, при котором все системы и элементы подводного аппарата размещаются только в многочисленных прочных корпусах, смонтированных на раме.

Будущее развитие глубоководной техники может опираться только на новые технологии, которые обеспечат создание глубоководных многофункциональных аппаратов, с достаточным боковым обзором, хорошей разрешающей способностью приборов, улучшенной маневренностью, точностью выдерживания направления движения и управления динамическим позицианированием. Эти качества возможно достичь путем комплексного объединения в одно изделие всех систем с надежной адаптацией к внешней среде. Одной из основ для решения поставленной задачи может быть применение многослойных прочных, тонкостенных оболочек с системой распределения высокого гидростатического давления. Это позволит повысить надежность подводного аппарата с расширенной эффекторной и сенсорной системами, обладающего повышенными функциональными возможностями.

Цель работы. Создание методологического аппарата и конструктивных основ универсального прочного корпуса ПА, обеспечивающего надежность в защите расширенной эффекторной и сенсорных групп от высокого внешнего гидростатического давления.

Задачи исследования:

1) Определить роль и место подводных аппаратов применительно к изменению номенклатуры подводно-технических работ, окружающей среды, задач и продолжительности работ.

2) Вывести зависимость многофункциональности подводных аппаратов от глубины и времени их эксплуатации.

3) Изучить условия эксплуатации герметизирующих узлов в условиях гидростатического давления.

4) Исследовать процессы дискретного понижения гидростатического давления.

5) Изучить возможности применения, для организации дискретного понижения гидростатического давления, тонкостенных оболочек и конструктивно простых не габаритных герметизирующих узлов.

6) Сформулировать основные принципы конструирования прочных многослойных корпусов подводных аппаратов.

7) Создать математическую модель, позволяющую оперативно анализировать динамику оболочек многослойного прочного корпуса.

Научная новизна: Результат диссертационной работы состоит в следующем:

- разработана теория многослойных, с жидким заполнением межоболочных пространств, прочных корпусов ПА. За счет дискретного понижения высокого внешнего гидростатического давления (ВВГД) по слоям корпуса ПА, созданы условия для применения более простых и не габаритных герметизирующих узлов, позволяющих решить вопрос о более эффективной оснастки глубоководных ПА;

- на основании теории расчета тонкостенных оболочек разработана математическая модель, доказывающая работоспособность и перспективность концепции многослойных корпусов и дающая возможность для предварительного просчета реакции конструкции с учетом внешних условий, варьирования характеристик материалов, жидких заполнителей и размеров корпуса ПА;

- разработаны методические основы технологии изготовления универсального многослойного корпуса ПА, обеспечивающего многофункциональность и оперативную, в зависимости от поставленной задачи, переоснастку в полевых условиях.

Практическая ценность работы состоит в создании ПА с расширенными эффекторной и сенсорной группами для работы на абиссальных глубинах. При изготовлении корпусов ПА по предлагаемой методике для стенок оболочек используется более тонкий металл, что технологически удобней и экономически выгодней, чем литье одно-оболочечных жестких корпусов. Качественно новый подход позволит сохранить ПА, а также частично его работоспособность при повреждении корпуса. Защита систем и элементов ПА организована механико-гидростатическим комплексом, обеспечивающим дискретное перераспределение ВВГД без дополнительных энергетических затрат. Разработанная математическая модель позволяет оценить реакцию корпуса при варьировании конструктивными параметрами.

Основными результатами работы являются:

1. Создание принципа конструирования и методики дискретного понижения внешнего гидростатического давления позволяющая обеспечить работоспособность расширенной эффекторной и сенсорной групп подводных аппаратов без снижения их многофункциональности на больших глубинах.

2. Создана математическая модель, доказывающая работоспособность предлагаемого устройства, разработанная на основании теории расчета тонкостенных оболочек. Разработанная методика предварительного просчета многослойного корпуса подводного аппарата позволяет осуществлять их проектирование с учетом динамики дискретного понижения внешнего гидростатического давления.

3. Показано, что применение многослойной оболочки с дискретным понижением внешнего гидростатического давления позволяет применять на границах перепада давления герметизирующие узлы более простых и надежных конструкций с большим выигрышем по массогабаритным характеристикам.

Методика проектирования многослойного корпуса подводного аппарата основывается на:

- проведении анализа современного состояния работ на морских месторождениях железомарганцевых конкреций. Исследована роль и место подводных аппаратов и других технических средств обеспечивающих подводнотехнические работы;

- разработке классификации подводно-технических работ применительно к подводному месторождению железомарганцевых конкреций и проанализированы тенденции изменения номенклатуры и объемов подводно-технических работ на протяжении всего жизненного цикла месторождения;

- рассмотрении влияния внешней среды, как определяющего фактора на производственный процесс при выполнении подводно-технических работ;

- выявлении классификации технических средств, предназначенных для проведения и обеспечения процесса подводного обслуживания месторождения. Определены перспективы использования и развития необитаемых подводных аппаратов, других технических средств, базируемых на судах обеспечения;

- проведении анализа современного состояния и перспектив развития необитаемых подводных аппаратов применительно к работам продолжительное время на больших глубинах;

- проведении анализа условий выполнения работ на месторождениях железомарганцевых конкреций;

- разработке инженерной методики создания многослойных корпусов подводных аппаратов с жидкими наполнителями для дискретного понижения внешнего гидростатического давления;

- разработке математической модели многослойного корпуса подводного аппарата.

В методологическом плане диссертационная работа базируется на следующих результатах:

- в области теории конструирования ПА, полученных В.С.Ястребовым, В.А. Сычевым, Г.П.Соболевым, А.В.Смирновым, Э.Л.Оншцен-ко, И.И.Тумановым, М.Б.Игнатьевым, Ф.М.Кулаковым, В.В.Михайловым;

- в области формирования комплексов морской техники, полученных А. Б. Бронниковым, И.П.Мирошниченко, В.М.Пашиным, А.И. Раковым, Ю. Н. Семеновым, Л. М. Мучником, А. Н. Холодовым, Л. Ю. Худяковым, И. В. Челпановым;

- в области математических расчетов и моделей, полученных В.С.Ястребовым, В.В.Ашиком, В.В.Пикулем, А.В.Погореловым, Е.Н.Пантовым, Н.Н.Махиным, Б.Б.Шереметой, Ю.Н.Семеновым, В.М.Пашиным, А.В.Бронниковым.

Апробация работы. Материалы диссертации были использованы: Геофизической лабораторией Южного отделения института Океанологии РАН при научно-исследовательской разработке и изготовлении автономной донной станции "АДОМАС".

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 5 печатных работах и докладывались на: 5 Всесоюзном совещании по робототехническим системам. АН СССР ИО МНТК "Робот" "Принципы организации защиты расширенной эффекторной и сенсорной групп от высокого гидростатического давления." Москва, 1990г.; Всесоюзной школе по техническим средствам и методам исследования Мирового океана. АН СССР ИО "Универсальный корпус для многофункционального подводного аппарата."Москва, 1991г.; в Сб. научных трудов ТРТУ - Таганрог 1990 г."Математическая модель многослойной оболочки"; в Государственном комитете СССР по делам изобретений и открытий при оформлении патента Би N 1667919 А1 В 01 3 3/00

- 11

Заключение диссертации по теме «Океанология», Холоднов, Анатолий Алексеевич

- 119 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненого в работе исследования разработана методика проектирования многослойной оболочки. Методика основана на дискретном понижение внешнего гидростатического давления. Понижение давления осуществляется устройством имеющим ногослойную констукцию. По этому же принципу предлагается разработать многослойный корпус подводного аппарата предназначенного для работы на больших и сверх больших глубинах. Одновременно предлагаемая методика позволяет создать глубоководные подводные аппараты имеющие расширенную эфекторную и сенсорную системы без снижения надежности самого аппарата в целом. Аппараты с такими техническими данными позволяю выполнять весь спектр подводно-технических работ на технологических, эксплуатационных и ликвидационных этапах освоения месторождений железо-марганцевых конкреций.

Основными результатами работы являются:

1. Создание принципа конструирования и методики дискретного понижения внешнего гидростатического давления позволяющая обеспечить работоспособность расширенной эффекторной и сенсорной групп подводных аппаратов без снижения их многофункциональности на больших глубинах.

2. Создана математическая модель, доказывающая работоспособность предлагаемого устройства, разработанная на основании теории расчета тонкостенных оболочек. Разработанная методика предварительного просчета многослойного корпуса подводного аппарата позволяет осуществлять их проектирование с учетом динамики дискретного понижения внешнего гидростатического давления.

3. Показано, что применение многослойной оболочки с дискретным понижением внешнего гидростатического давления позволяет применять на границах перепада давления герметизирующие узлы более простых и надежных конструкций с большим выигрышем по массо-габаритным характеристикам.