深海透明载人舱界面变形协调关键设计及疲劳性能优化研究

针对深潜器PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)透明舱体与金属穿透件界面变形失配问题，研究人员通过建立非线性本构模型与有限元分析框架，系统探究了尼龙垫片(θg=2.5°–6°)、摩擦系数(μ=0.10–0.30)等参数对界面应力分布的影响。结果表明：采用6°垫片可使峰值主应力降低9.6%，疲劳损伤累积减少43%，为深海装备轻量化设计提供了理论依据。

　　

在蔚蓝深海的探索征程中，透明载人舱如同深海之眼，为人类揭开海洋神秘面纱。然而这片看似澄澈的观察窗口，却暗藏致命危机——聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)舱体与金属穿透件的连接部位，在千米水压的反复蹂躏下，常因变形失配引发应力集中，导致材料如玻璃般脆性断裂。早在上世纪70年代美国海军NEMO深潜器就发现，传统ASME PVHO-1标准仅通过增加舱体厚度来保障安全，却对界面微滑移、蠕变恢复等非线性行为束手无策。更棘手的是，PMMA的弹性模量(仅3 GPa)与金属相差两个数量级，微小几何不连续就会诱发11.6%的应力突变，这种"刚柔相斥"的困局至今仍是制约深潜器性能提升的卡脖子难题。

上海高水平地方高校渔业工程与装备创新团队的研究人员，以典型1000米级NEMO球形舱为研究对象，构建了融合Burgers粘弹性模型与连续损伤力学的有限元分析(FEA)框架。通过参数化分析三组关键变量：含尼龙垫片(A1)与无垫片(A2)的基准模型、垫片厚度角(2.5°–6°)梯度模型、界面摩擦系数(0.05–0.30)敏感模型，首次量化揭示了界面微力学行为与宏观失效的关联机制。

设计方法论
研究采用多尺度仿真策略，将PVHO-1标准几何参数与材料本构方程耦合。通过UMAT子程序实现PMMA的时变蠕变特性模拟，重点监测穿透件连接区的Mises应力云图与最大主应力(σ_max)分布。

参数化细节分析
含垫片模型(A1)的σ_max较无垫片(A2)降低11.6%，证实尼龙垫片的弹性缓冲能有效协调PMMA与金属的变形差。当垫片厚度角从2.5°增至6°时，应力集中系数下降9.6%，得益于增大的接触面积分散了径向载荷。更关键的是，摩擦系数μ≤0.15时界面会产生可控微滑移，避免剪切应力局部化，使300次深潜循环后的疲劳损伤累积降低43%。

总结与结论
该研究突破传统经验设计的局限，证明界面柔性调控比单纯增加舱厚更能提升可靠性。提出的"垫片角度-摩擦系数"协同优化准则，为Triton 1000/2 Mk-II等商用深潜器提供了可工程化的设计范式。

这项发表于《Ocean Engineering》的成果，不仅解决了PMMA舱体"透明与强韧不可兼得"的行业痛点，更开创性地将粘弹性力学引入深海装备设计领域。其价值正如研究者所言："当6°的尼龙垫片温柔地弥合了金属与聚合物的变形鸿沟，我们终于让深海之眼既能明察秋毫，又可承受千米之下的永恒黑暗。"