基于形状记忆合金元件驱动的海底火山热液采样器开发设计

论文摘要

海底火山周围是具有高温、高压特点的极端环境,为了研究这种极端环境下微生物的生存特性,并在实验室培养繁衍这种微生物,本文研究开发了一种新型的基于形状记忆合金驱动的海底火山热液采样器。基于有限元分析软件ADINA,我们对各种采样阀方案进行了比较分析,并从中选择了具有自动调心的球密封单向阀组成的采样阀结构,利用形状记忆合金(SMA)元件驱动采样阀完成采样动作,并且应用氮气弹簧技术保证保存在采样缸内的样液在返回船载实验室的过程中所受的压力与采样点处所受的压力一致,在这个意义上我们所提出的海底火山热液采样技术是一种保真采样器技术。针对海底火山周围这种高温高压的采样环境,我们选择了密度小,强度高,耐海水腐蚀的钛合金为主体材料,加工制造了一套采样器样机。并且对采样器相关零部件的制造加工工艺性能进行了分析。最后对海底火山热液采样器样机进行了一系列的试验,主要是检验采样阀密封性能的压力试验和采样效果的模拟热吸试验。试验验证了采样器的性能,表明它是一种可以应用于海底火山和相关环境的热液采样技术。本海底火山热液采样技术的特点是:(1)利用具有形状记忆的特性的形状记忆合金元件驱动,完成采样动作,而无须电能驱动,具有环保的特点。(2)应用氮气弹簧技术,使取样结束后保持采样器内部的压力为海底火山口处的压力,维持采样器中微生物的生存条件,达到保真采样的目的。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 海底采样技术发展现状及技术原理概况
• 1.2.1 海洋采样技术的分类
• 1.2.2 海底火山热液采样技术现状及发展
• 1.3 本课题的研究内容
• 第二章 海底火山热液采样器原理
• 2.1 海底火山热液采样技术原理概述
• 2.2 海底火山热液采样器采样阀原理
• 2.2.1 滑阀结构采样阀方案
• 2.2.2 锥面密封单向阀采样阀方案
• 2.2.3 球密封单向阀采样阀方案
• 2.3 本章小结
• 第三章 基于有限元方法的海底火山热液采样器热学分析
• 3.1 有限元基础知识简介
• 3.2 ADINA 软件简介
• 3.2.1 ADINA 软件具有的突出特点
• 3.2.2 热传导的基本公式
• 3.3 基于ADINA 软件的采样缸与样液的热传导分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 海底火山热液采样器结构设计
• 4.1 海底火山热液采样器结构
• 4.2 海底火山热液采样器材料及加工问题
• 4.2.1 海底火山热液采样器加工材料选择
• 4.2.2 采样器加工性能及采样器加工问题分析
• 4.3 海底火山热液采样器结构设计计算
• 4.4 球密封单向阀结构设计
• 4.5 保压卸样系统设计
• 4.5.1 氮气弹簧技术原理及应用
• 4.5.2 密封结构的设计
• 4.6 本章小结
• 第五章 形状记忆合金驱动元件设计
• 5.1 形状记忆合金的主要特性
• 5.2 形状记忆合金驱动元件的设计
• 5.2.1 压缩螺旋弹簧
• 5.2.2 螺纹拉杆
• 5.2.3 压缩管式
• 5.3 本章小结
• 第六章 海底火山热液采样器性能试验
• 6.1 滑阀采样阀结构的海底火山热液采样器实验
• 6.1.1 滑阀采样阀结构的海底火山热液采样器样机压力试验
• 6.1.2 滑阀采样阀结构的海底火山热液采样器样机热吸试验
• 6.2 球密封单向阀采样阀结构的海底火山热液采样器性能实验
• 6.3 本章小结
• 第七章 全文总结及工作展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 今后工作的展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢