（机械电子工程专业论文）带观测窗的高温高压生物培养釜结构分析与补强研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 2 1 世纪，人类将进入海洋经济的时代。深海开发不仅对于海洋生物、微生 物、海洋矿产以及其它资源的开发是必不可少的，而且对于地球结构和运动的地 质研究是必须的。在海底热液环境与深海生物活动模拟实验研究中，支撑技术的 的重要性是无可替代的。通过对极端环境模拟系统中培养釜的研制，将解决我国 深海生物及其基因资源研究开发中一个重要技术瓶颈。同时，将提高我国极端环 境重大装备开发的能力，积累从元部件到系统开发的原始创新能力。 针对设计的培养釜必须具有以下功能：能够承受极端环境的高温( 0 - - 4 0 0 ( 2 ) 高压( 0 6 0 m p a ) ；操作便捷，快速开启功能；密封安全可靠。论文结合a n s y s 有限元分析方法对培养釜的两项关键技术进行了深入研究。 首先研究分析了支撑环结构的接触压力分布，得出了三角形分布更为符合实 际接触应力分布的结论。在此基础上，基于准等强度准则的分析设计方法，对支 撑环结构进行了优化分析，使简体各部分应力分布更加合理，安全裕度趋于一致， 在保证培养釜安全可靠的情况下，同时也降低了设计制造成本。 然后分别以圆形开孔补强结构和长椭圆形开孔补强结构为研究对象，研究了 内压圆柱形容器不同开孔方式的应力分布和应力集中问题，得出一些有参考价值 的结论，并将之应用于微生物培养釜的开孔结构设计中，取到了较好的应用效果。 最后选取单釜平台系统进行了仿真分析，研究了深海极端环境模拟系统集成 性能，为展开系统性能进一步的分析研究打下了基础。并完成了深海极端环境模 拟系统的集成与调试工作，进一步考察系统的各种性能，完全达到了课题要求。 关键词：培养釜，支撑环，开孔补强，高温高压，观测窗 l i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h e21s tc e n t u r y , m a n k i n dw i l le n t e rt h eo c e a ne c o n o m ye r a t h ed e e p s e a d e v e l o p m e n tn o to n l yf o rm a r i n eo r g a n i s m s ，m i c r o b e s ，m a r i n em i n e r a la n do t h e r r e s o u r c ed e v e l o p m e n ti se s s e n t i a l ，b u ta l s of o rt h ee a r t h sg e o l o g i c a ls t r u c t u r ea n d m o t i o ns t u d i e sa r en e c e s s a r y i nt h ed e e p - s e ah y d r o t h e r m a le n v i r o n m e n ta n d s i m u l a t i o ns t u d yo fb i o l o g i c a la c t i v i t y ，t h ei m p o r t a n c eo fs u p p o r t i n gt e c h n o l o g yi sn o s u b s t i t u t e t h r o u g ht h ed e v e l o p m e n to fe x t r e m ee n v i r o n m e n ts i m u l a t i o ns y s t e m ， i m p o r t a n tt e c h n i c a lb o t t l e n e c k si n t h ef i e l do fo u rd e e p s e ao r g a n i s m sa n dt h e i r g e n e t i c r e s o u r c e sr e s e a r c h & d e v e l o p m e n tw i l lb er e s o l v e d n e wp a r t sa n d c o m p o n e n t sw i t hi n t e m a t i o n a la d v a n c e dl e v e lw i l lb ed e v e l o p e df o rd e e p - s e ae x t r e m e e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s ，s u c ha sc o n t r o lv a l v e s ，s e n s o r s ，c u l t i v a t i n gv e s s e l ，o n - l i n e i n s p e c t i o nd e v i c e s s e l f - d e v e l o p m e n tc a p a c i t ya n db a s i ci n d u s t r i a lc a p a c i t yi nt h i s a r e ao fo u rc o u n t r yw i l lb ep r o m o t e d a tt h es a m et i m e ，t h ec a p a c i t yo fc h i n a s d e v e l o p i n gm a j o re q u i p m e n t sf o re x t r e m ee n v i r o n m e n tw i l lb ee n h a n c e d a l s o ，f r o m t h ec o m p o n e n t sd e v e l o p m e n tt ot h es y s t e m sd e v e l o p m e n t ，t h eo r i g i n a li n n o v a t i o nw i l l b ea c c u m u l a t e d f o rt h ed e s i g no ft h ec u l t i v a t i n gv e s s e lm u s th a v et h ef o l l o w i n gf e a t u r e s ：t h e a b i l i t y t ow i t h s t a n de x t r e m ee n v i r o n m e n t so fh i g h t e m p e r a t u r e( 0 4 0 0 ) h i g h - v o l t a g e ( 0 6 0 m p a ) ；o p e r a t i o no fc o n v e n i e n t ，f a s tt u r n i n gf u n c t i o n ；s e a l e ds a f e a n dr e l i a b l e t h et h e s i sh a sd e v e l o p e dt w ok e yt e c h n o l o g i e so fc u l t i v a t i n gv e s s e l c o n d u c t e di n - d e p t hs t u d yw i t ha n s y sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s f i r s t ，t h ec o n t a c tp r e s s u r ed i s t r i b u t i o no ft h es u p p o r t i n gr i n gs t r u c t u r ew a s r e s e a r c h e da n da n a l y z e d ；t r i a n g u l a rd i s t r i b u t i o no fc o n t a c ts t r e s sd i s t r i b u t i o ni sm o r e r e a l i s t i cc o n c l u s i o n s o nt h i sb a s i s ，b a s e do nt h ec r i t e r i ao fe q u a l s t r e n g t h q u a s i - a n a l y s i sa n dd e s i g nm e t h o d s ，s u p p o r t i n gr i n gs t r u c t u r ew a so p t i m i z e d ，s ot h a t a l lp a r t so ft h es t r e s sd i s t r i b u t i o no fc y l i n d e ri sm o r er e a s o n a b l ea n dm a r g i no fs a f e t y a r ec o n s i s t e n t i ne n s u r i n gs a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo fc u l t i v a t i n gv e s s e l ，t h ec o s to f d e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gw a sr e d u c e d t h e n ，t a k i n gr e s p e c t i v e l yc i r c u l a ro p e n i n gr e i n f o r c e m e n ts t r u c t u r ea n dal o n g i i ! 浙江大学硕士学位论文 o v a lo p e n i n gr e i n f o r c e m e n ts t r u c t u r ea st h er e s e a r c ho b j e c tt os t u d yt h ec y l i n d r i c a l p r e s s u r e v e s s e l so fd i f f e r e n tm e t h o d so fs t r e s sd i s t r i b u t i o na n dt h eh o l es t r e s s c o n c e n t r a t i o np r o b l e m ，d r a w i n gs o m er e f e r e n c ev a l u ec o n c l u s i o n s ，a n dt h eu s i n gi n o p e n c e l ls t r u c t u r ed e s i g no f m i c r o b i a lc u l t i v a t i o n ，b e t t e ra p p l i c a t i o ne f f e c t sw a s g o t f i n a l l y , s e l e c t i n gt h es i n g l er e a c t o rs y s t e mf o rt h es i m u l a t i o np l a t f o r m ，i no r d e r t o e x p a n ds y s t e mp e r f o r m a n c ef o rf u r t h e ra n a l y s i sa n ds t u d y , t h ep e r f o r m a n c e s i m u l a t i o no ft h ed e e p - s e ae x t r e m ee n v i r o n m e n t ss y s t e mw a sa n a l y z e da n dr e s e a r c h e d a n dt h ed e e p s e ae x t r e m ee n v i r o n m e n t ss i m u l a t i o ns y s t e m i n t e g r a t i o n a n d c o m m i s s i o n i n gw o r kw e r ec o m p l e t e dt oe x a m i n eav a r i e t yo fs y s t e mp e r f o r m a n c e ， f u l l ym e t i n gt h er e q u i r e m e n t so ft h es u b j e c t k e y w o r d s ：c u l t i v a t i n gv e s s e l ，s u p p o r tr i n g ，o p e n i n gr e i n f o r c e m e n t ，h i g ht e m p e r a t u r e a n dh i g hp r e s s u r e ，o b s e r v a t i o nw i n d o w 1 v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝江盘鲎有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿态堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 致谢 论文是在导师李世伦副教授的悉心指导、亲切关怀和热情鼓励下完成的。导 师广博的才识、敏捷的思维、大胆创新和严谨求实的工作作风，使我在学业中均 受益匪浅，我将铭记于心、并以之作为我终身学习的榜样。三年来，李老师不仅 在学习上给我以精心指导，同时还在思想、生活上也给予我不倦的教诲和关怀， 在此谨向李老师致以最衷心的感谢和崇高的敬意。 特别感谢顾临怡教授，在课题研究过程中，顾老师以他渊博的知识、富有创 造力的思维和丰富的工程实践经验给予我很多研究方法上的指导和研究思路上 的启发，在这里谨献上我最真挚的谢意。 衷心感谢陈家旺博士后，侯继伟博士在研究生阶段给予的指导，从学术和技 术方面给予的大力帮助和支持。 感谢实验室所有的师兄弟们，感谢罗高生、王峰、李林师兄，感谢李华凤、 周博、叶欣同学，感谢金雪菲师妹，陈元杰、胡国庆、李伟、韩俊师弟，感谢他 们在生活、工作、学习上给予我莫大关心、真诚合作与帮助。 感谢浙江大学机电所给我提供了良好的学习工作环境，感谢机电所各位老师 在我学习期问给予的指导和关怀。 感谢王永明厂长和张永根工程师在设备加工、装配和调试工作中给予的支持 与协助。 感谢所有关心和支持我的人。 谨以此文献给我最亲爱的父母，他们的无限关心、支持和理解成为我求学过 程中最大的精神支柱和动力来源，让我能够更有勇气和自信投入科研工作，勉励 自己克服各种困难，使学位论文得以顺利完成，在此表达最深切的谢意。 魏光超 2 0 1 0 1 于求是园 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景 海底热液活动的发现是2 0 世纪海洋科学研究中的重大事件之一【1 1 。黑烟囱 周围极端环境中特殊的深海生物群落的发现，对生命起源及地下深部生物圈的研 究有着重要的意义，并且展示了生物技术应用上巨大的潜力。海底热液活动及生 命活动的调查研究已成为当代海洋科学、地质学、地球化学、矿床学及海洋生物 学等多学科的重大前沿热点研究领域，同时也是新世纪国际海洋竞争的一部分。 海底热液环境与深海生物活动研究既是国际上海洋科学的前沿领域，也是社 会公众关注自然的热点之一。海底热液环境中生命活动展现出多姿多彩的魅力， 在酷热和寒冷相依的高压世界里，暗示着生命的本质。每一次海底热液环境与深 海生物活动研究的重大进展都离不开海洋科学、生物学、地球化学与工程、机械、 电子等多学科领域专家的相互配合和共同努力。近三十年的研究，让我们对海底 热液环境与深海生物活动过程有了许多认识，也增添了更多问题。特别是，对海 底热液环境中各种作用条件及其产物形成演化的机理，缺少细致、精确的了解， 不清楚烟囱体形成过程中元素分布、分配与热液流体一海水一生物相互作用的关 系，尚无法解释从极热( 1 0 0 ( 2 ) 到寒冷( 4 ) 的海底环境中，均存在生命 活动的机理。很显然，这些问题也很难通过现场观测、室内样品的测试分析数据 给予准确回答，只有通过模拟实验，在模拟中获得一系列环境和产物变化的过程 数据和资料，才有可能找到问题的答案吐 因此，开展海底热液环境与深海生物活动模拟实验研究，结合对自然海底热 液环境的调查研究，实验研究温度、压力和介质条件变化下，反应的过程与机理， 将有助于深入认识深海极端环境中生命活动的响应、生物一矿物一流体作用的机 理、元素分布与分配条件、海底热液循环的深部过程以及黑、白烟囱体形成的机 理等等一系列关乎地球系统和生命起源的科学问题，并能够极大促进对海底热液 环境中生物资源潜力的发掘，对于深海生物资源的应用和产业开发具有重要的现 实意义。不仅如此，模拟海底热液环境，认识海底热液环境与生命过程的关系， 了解生命活动在极端环境生存的机理，也将为人类探索和证实宇宙世界中类地环 境及生命活动的存在提供理论基础。基于这些，进行海底热液环境与深海生物活 动模拟实验研究已成为当今海洋科学非常前沿的一个领域。在美国、日本和英国 浙江大学硕士学位论文 等国家，均有课题在专门的实验室里充满激情的开展着相应的研究工作。调研结 果表明，目前国际上有关海底热液环境与深海生物活动的研究依然有巨大的工作 空间，模拟实验方面依然存在着许多有意义、具有挑战性的科学和技术命题，等 待着人们研究解决【3 l 。 。 与此相比，我们还有相当的差距。为此，开展海底热液环境与深海生物活动 模拟实验研究，将极大地促进我国深海科学研究的实质性进展。通过5 1 0 年的 努力，开辟新的学科研究方向，不仅能在海底热液环境与深海生物活动研究领域 获得一批有显示度的研究成果，更有望在模拟实验和海上调查有机结合的基础 上，发展我国的深海生物资源产业，培养造就一支始终站在国际前沿的深海极端 环境与生命过程研究队伍，为中国的深海科学、技术和产业的全面发展做出贡献。 突出海洋生物学，与实验技术和实验装置研制相结合，重点开展海底热液环 境中产物的形成演化机理研究，了解生命活动对极端环境变化的响应及适应激 烈，揭示并预测热液环境中不同作用的结果及发展趋势，探索研究热液环境中生 物的可利用特性及资源潜力，不断提高和完善模拟实验装置及技术。 1 1 1 国外研究现状 海底热液环境与深海生物活动模拟实验研究的进展，很大程度上取决于其支 承技术体系的研究状况。目前只有美、日、法等国成功研制了深海微生物培养系 统和深海大型生物培养系统 4 1 1 5 1 。美国s e y f r i e d 博士于1 9 7 9 年设计了一套高温 高压反应釜，通过镀金的方式来防止反应釜以及其它元器件的腐蚀，1 9 8 5 年又 研制了纯钛高温高压反应釜，并于8 0 年代末制成了第一套高温高压控制系统， 当时采用节流阀来手动控制液路的压力和流量，组成流动体系，但限于当时的技 术条件，整套装置自动化程度较低。 目前国外在深海微生物培养系统研制方面比较先进的是美国h a w a i i 大学、 美国m i n n e s o t a 大学地质地球物理系u o l 、加州大学伯克利分校【1 1 1 、日本 j a m s t e c 和w h o i 研究所1 2 】。美国h a w a i i 大学开发了一套深海微生物无缝采 集培养系统( 见图1 1 ) ，该系统可以与采样设备实现无缝连接，或者培养系统 同时具有深海微生物采样功能。图1 2 是m i n n e s o t a 大学的研制的用于开展深海 微生物地球化学反应研究的设备及工作原理。值得一提的是日本j a m s t e c 开发 的微生物培养系统中实现了一套高压荧光分析系统，采用氦氖激光和高性能 2 淅江大学硬士学位论文 p m t 光电传感器在线检剥培养釜内的有机物和微生物 图ii 美国h a w a i i 大学开发的深 海微生物无琏采集一培养系统 图i2 美国m i n n e s o t a 大学开 发的流动式微生物培养签 在深海大型生物培养系统方面，日本j a m t e c 开发了一套d e e p a q u a r i u m 系统( 见图1 3 ) ，具有球形培养釜和多个角度的观测窗口，可以实 现长期连续摄像观测，该系统具有高压流动体系，可以高压在线加入新鲜海水和 气体等美国s o u t h c a l i f o r n i a 大学也独立开发了一套深海管状蠕虫培养系统( 见 图1 4 ) ，该系统采用的恒流量泵和可观测高压培养釜，该培养系统由两套培养釜 组成，可以将一个培养釜内的化学物质或者生物幼虫通过流动体系导入到另一个 大型培养釜。大型培养釜具有显微观测能力，可以通过低倍数双目显微镜观测培 养釜内被培养生物的生长情况。 围i3 日本j a m t e c 开发的d e e pa q u a r i u m 浙江大学硕士学位论文 圉14 美国s o u m c a i f o m i a 大学琛海管状蠕虫培养系统 这些系统基本的工作原理是由定量泵通过单向阀给反应釜施加压办，而釜内 的压力调节则通过步进电机调节节流闻的开口大小来实现，压力可以达到 5 5 7 0 m p a ，但是压力波动较大。其优点是设备研制方案 匕较简单，可采用现成 的商业化控制闽技术，易实现徽流量的控制，精度可以小于0 i m l 。其缺点是定 量泵价格昂贵，且不能实现反向吸合。由于采用步进电机调节节流阃，系统难毗 实现实时闭环控制，动态响应慢，且存在严重的超调，可靠性较低。由于流量与 压力较大的耦合，因此很难实现串并生物培养系统i 。 1 1 2 国内研究现状 目前国内用于陆上或船载的模拟极端海底环境的系统研究平台仍在起步阶 段，已成为我国深部生物圈与深海极端环境生物研究开发的瓶颈，也极大地限制 了我国深海生物资源的研究开发和利用。国内十五期间，在国家8 6 3 计划、科技 部和中国大洋协会等资助下，浙江大学、国家海洋局第三海洋研究所、上海交通 大学、中国海洋大学等单位研制了数套深海微生物培养系统。国家海洋局第三海 洋研究所和上海交通大学合作完成深海高压、厌氧环境模拟设备可以在实验室内 恢复模拟深海极端环境，满足陆地上实验室深海耐压菌和陆辣热液区样品的研 究，同时可开展样品全程保温，保压、稀释培育系统在无菌情况下的样品连续稀 释和培养的研带j 工作。 国内现有的高温( 或低温) 高压设备可分为两类：流动高温高压地球化学研究 设备( 见图14 ) 和静止高温高压地球化学研究设备( 见图15 ) ，最初主要用于 地壳深部极端高压状态下物质相变，水岩相互作用及矿物新特性研究，近年来国 际上已经在食品、育种、材料和超临界水的研究领域应用。它虽然基本能达到所 需的温度和压力条件，但是无法进行深海海底极端微生物体的培养和研究l 。 浙江大学硕士学位论文 髓一 酾黻 圈l6 浙江大学船载微生物高温高压培养系统 1 2 培养釜研究及应用现状 海底热液环境与深海生物活动模拟实验研究的进展，很大程度上取决于其支 撑技术体系的研究状况，尤其是取决于能够模拟海底热液极端环境的培养釜研究 应用状况长期以来，正是受困于支撑技术体系的薄弱，中国的热液科学研究举 步维艰目前美、日法等国成功研制了应用于深海微生物培养系统和深海大型 生物培养系统的培养釜h 】i ”。在十五期间，我国成功研制了应用于微生物培养的 培养釜，其应用状况尚属起步阶段；能够应用于大型生物培养的可观测培养釜在 国内更属空白川。 淅江大学硕士学位论文 国外高压微生物培养釜从二十世纪七十年代y a y a n o s 改进便携式高压培养 釜( 见圉l7 ) 迄夸已经有近3 0 年历史，有操作方便、安全等诸多优点，在高压 微生物培养中得到广泛应用。图1 8 是瑞士boc h i g l a s 化学反应器，应用温度较 高，能达到2 5 0 。c ，但工作压力仅能达到1 5 m p a ，严重限制了在实验室( 或船载) 模拟微生物生长环境的应用范围 囤17y a y a n o s 高压培养釜图l8 瑞士b 口e h i g ia s 化学反应罂 1 3 有限元方法介绍 有限元方法 4 5 1 产生于2 0 世纪5 0 年代中期，它是处理连续介质问题的一种 普遍方法。其基本思想是用离散化结构模型代替真实的连续弹性体。这种离散化 的结构模型是由许多有限尺寸的结构元素所组成，这些结构元素按照确定的位移 与应力分布规律彼此联系在一起。将这些元素的近似应力或位移解组合起来，就 得到 结构的位移或应力的近似解。当元素的尺寸减小时，这种近似解便逐渐收敛干真 实结构的精确解。 随着电子计算机技术及有限元方法的发展，出现了一些大型通用有限元分析 软件，如a n s y s 、n a s t r a n a d i n a 等，利用这些软件，仅就结构分析而言， 不仅可处理弹性静力学问题，还可以解决大变形、非线性、瞬态等复杂问题，本 文采用a n s y s 进行有限元分析。 a n s y s 软件是美国a n s y s 公司开发的大型适用有限元分析( f e a ) 软件， 它是第一个通过1 5 0 9 0 0 1 质量认证的大型分析设计类软件，也是美国机械工程师 协会( a s m e ) 、美国核安全局( n q a ) 及近2 0 种专业技术认证的标准分析软件。 在国内它是第一个通过中国压力客器标准化技术委员会认证并在空国压力容器 行业推广适用的分析软件a n s y s 软件分以下三个处理模块： 浙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 前处理模块p r e p 7 a n s y s 有限元分析由三个阶段组成：前处理阶段，求解阶段和后处理阶段。 前处理阶段规定求解所需的各种数据，用户可以选择单元类型、建立几何模型、 赋予材料属性、划分网格等。在前处理阶段采用何种单元，如何划分网格对于平 板开孔及矩形容器的应力与结构的分析研究有非常重要的影响。为了保证开孔区 以及板壳连接部位的计算精度，在划分网格时，应该尽可能的使用六面体单元， 而且要求单元划分尽可能均匀。但在板壳连接部位和平板开孔区要进行细密的网 格划分，以保证应力计算的准确性和可靠性。 ( 2 ) 求解模块s o l u t i o n 在前处理阶段完成建模后，到求解阶段获得该分析的求解。在这一部分，用 户需详细说明分析类型、分析选项、载荷数据及载荷步选项。分析类型包括结构、 热、磁场、电场、流体及耦合分析等。分析选项如适用n e w t o n r a p h s o n 选 项来求解非线性问题。载荷数据和约束构成有限元模型的边界条件，载荷数据包 括自由度约束、点载荷、面载荷、体载荷和惯性载荷等。任何一个分析都可以由 一个或多个载荷步组成。载荷步选项用来设计输出控制、收敛控制及载荷性质控 制( 渐变或阶跃) 。 ( 3 ) 后处理模块p o s t i 和p o s t 2 6 后处理也就是查看分析结果，并对数据结果进行运算和处理。例如，这些结 果可能包括位移、应力、应变等，可以图形显示或表列数据形式输出。在a n s y s 中有两个后处理器，通用后处理器p o s t i 和时间历程后处理器p o s t 2 6 。通用后 处理查看整个模型在某一载荷步或子步值，它显示的是某一时间点或频率上的 值。而时间历程后处理器查看模型指定点的特定结果相对于时间或其它结果项的 变化情况，如结构非线性分析中，可以作某一指定结点的载荷一位移曲线。 1 4 研究意义及内容 1 4 1 研究意义 目前，我国深海极端环境培养装置的相关设备设计研制进行得如火如荼，相 形之下，深海极端环境培养釜的设计研究及应用研制则进展缓慢，已成为制约我 国深海生物技术发展尤其是深海极端环境模拟系统装置发展的瓶颈，亟需尽快解 决。另外，在9 7 3 项目和8 6 3 大洋专项项目的研究中，开展了对深海化学物质循 浙江大学硕士学位论文 环与交换以及深海生态环境等方面的研究。但由于缺乏相关多功能特性的深海极 端环境培养釜的支持，目前能够应用于微生物培养的深海微生物培养釜种类及功 能都极为有限，能够应用于深海大型生物培养的培养釜并配备大型观测窗在国内 尚属空白。 因此，通过设计建成具有多功能特性的培养釜系列，进而建成一套能够模拟 多种热液环境的微生物培养装置和大型生物装置，为海底热液环境与深海生物活 动研究提供一个与国际同类实验室相比毫不逊色、有特色的模拟实验平台。 通过对基于培养釜的极端环境模拟系统研制，将解决我国深海生物及其基因 资源研究开发中一个重要技术瓶颈，开发出适合深海极端环境条件下应用的培养 釜、在线检测装置等具有国际领先水平的新型元器件和部件，推动我国这一领域 的自主开发能力和基础工业能力。同时，将提高我国极端环境重大装备开发的能 力，积累从元部件到系统开发的原始创新能力。 1 4 2 研究内容 海底热液环境的特性主要有以下几点：拟模拟的深海极端环境，最大深度 可达6 0 0 0 米，呈现高达6 0 m p a 的高压环境；同时，海底温度变化范围极广，涵 盖从零下到4 0 0 。c ；介质海水在此极端环境下，有较强的化学活性，腐蚀性强， 热液中可能含有强酸性或强碱性化学物质；热液系统是一个流动体系，与周围 环境有物质、能量交换1 2 】【1 3 1 。 海底热液环境的特性对培养装置提出了以下要求：能模拟高温( 或低温) 高压的深海极端环境；耐腐蚀性强，特别是在高温高压环境下设备不与培养液 产生化学反应；设备材料必须具有高生物亲和力，不具有生物毒性；能模拟 微流量的流动体系；控制性能须稳定可靠，达到论文课题控制精度要求1 2 】【1 3 1 。 针对以上特点，在研究过程中，我们将遵循从易到难，逐步完善的原则，建 立基本的模拟实验装置，开展一至两项模拟实验，优化实验室运行模式，为海底 热液环境与深海生物活动模拟研究奠定扎实的基础。论文课题的主要技术指标如 下： ( 1 ) 具有高压稳定开放流动体系特点，在o - - - 6 0 m p a 压力范围内，可实现全 工作范围内连续可调，采用闭环控制对压力实现精确稳定的控制，精度为士 2 f s ，最小的压力梯度为1 m i n 。系统最高工作温度为4 0 0 。c ，采用先进闭环 8 浙江大学硕士学位论文 控制策略，可实现对温度的全工作范围内连续精确稳定控制，控制精度为士1 。 ( 2 ) 设计的培养釜必须具有以下功能：能够承受极端环境的高温( 0 , - - 4 0 0 ) 高压( o 6 0 m p a ) ；操作便捷，快速开启功能；密封安全可靠。另外， 考虑到系统的不同要求，还具有多种扩展功能，例3 2 l j ：高压气体在线导入功能； 与采样设备无缝连接功能或深海微生物采样功能；高压在线监测功能等。 ( 3 ) 全程模拟深海极端环境的压力、温度，实现系统模块化功能，可进行 单釜培养系统，也可进行串并联式培养系统，系统要求培养釜具有高压在线反应 气体和反应液体导入功能，并能够进行高压液体样品取样并留有在线检测的接 1 2 ，还要能在不卸压的情况下将采样筒内的水样注入培养釜，实现采样一培养与 扩增一研究全程保真。 ( 4 ) 具有计算机图形控制界面和数据记录保存功能，设计良好的人机界面， 实现对温度、压力、流量值的实时曲线和数字显示，曲线记录及回放功能。 针对课题组已经较好地解决了培养装置在流动体系方面的比例溢流阀和钛 制压力传感器方面的设计研究，本论文将结合培养釜研究及应用，在以下三个方 面进行研究： ( 1 ) 支撑环结构优化研究 考虑到深海大型生物的特点，培养釜最高需要承受达6 0 m p a 的压力，且由 于培养生物个体较大以及配备显微观察系统等扩展功能装置，对培养釜的容积空 间要求较大，导致其重量很重，尤其是其中的超大容积生物培养釜。对于要求频 繁进行试验操作的培养釜显然是不利的，必须在结构设计时考虑到釜盖的快速开 启性能，因此，本论文将结合超大容积培养釜设计实例，就具有快速开启功能的 支撑环结构进行详细研究。 ( 2 ) 大口径开孔应力集中补强研究 生物培养釜由于各种扩展功能需要，需要为相关设备开设各种接口，其孔径 大小不一，对培养釜的的设计造成了不同程度的强度削弱，尤其是由于培养釜的 在线检测接口及观察窗开孔，开孔率是相当大的，必然会引起很大的应力集中， 必颂进行补强。本文通过基于有限元分析的开孔补强方法进行研究，并把相关结 论应用于所设计的培养釜结构中，得到了较好结果。 ( 3 ) 深海极端环境模拟系统的仿真性能研究，以及系统集成的工程应用和 9 浙江大学硕士学位论文 实验研究。 通过对基于培养釜容腔体积的培养装置流动体系进行仿真研究，验证控制方 案的可行性，以及结构参数对系统动特性的影响，从而确定最佳控制方案及最佳 结构和控制参数的匹配。 在仿真研究的基础上，本论文将通过基于现场调试的实验研究方法进一步考 察系统的各种性能，为系统性能提高提供第一手的资料。 1 5 本章小结 本章首先详细介绍了海底热液环境与深海生物活动模拟实验研究的重要意 义及培养釜装置国内外研究现状，并着重介绍了培养釜研究应用现状，阐述了培 养釜设计研究作为海底热液环境模拟装置研制的一个支撑技术，与其它相关技术 相比，研制进展有限，事实上已经成为培养系统装置进一步发展的技术瓶颈。在 此基础上，介绍了本论文的研究方法、研究意义以及研究内容。 l o 浙江大学硕士学位论文 2 支撑环结构优化研究 培养釜最高需要承受达6 0 m p a 的压力，且由于培养生物个体较大以及配备 显微观察系统等扩展功能装置，对培养釜的容积空间要求较大，导致其重量很重， 尤其是其中的超大容积生物培养釜。对于要求频繁进行试验操作的培养釜显然是 不利的，必须在结构设计时考虑到釜盖的快速开启性能，因此，本章选取超大容 积培养釜作为具体例子，就具有快速开启功能的支撑环结构进行详细研究。 2 1 支撑环结构 筒体与顶底盖的连接结构设计是高压容器设计的重要组成部分。它包括顶 底盖和紧固件( 如螺栓、卡箍、框架等) 。除要求满足强度条件之外，还要求其 有足够的刚度，使密封结构的整体在任何条件下都能满足其性能要求，即应达到： 在预紧后，使预紧力能大于保证初始密封所需的最小值；在工作条件下，尤其是 在工作温度、压力波动的情况下，保证严密、不漏，也就是在密封面上所产生的 工作密封力应大于保证密封所需的最小作用力。无疑这不但需要有足够的强度， 而且需要足够的刚度以使紧固系统的变形最小。因为紧固系统的过大变形，必定 导致结构泄露。 最早的高压容器的简体与顶底盖的连接是采用螺栓法兰结构。由于在高压 力下，螺栓载荷很大，必使螺栓直径很大，数量很多，法兰很笨重，而当容器直 径稍大时，往往这种结构设计成为不可能。因此，目前高压容器设计中使用法兰 螺栓连接结构极为不方便。 高压容器的密封结构通常采用金属垫片，利用螺栓的剩余预紧力进行初始密 封；螺栓将承受由容器内压产生的轴向力，依靠金属垫片的塑性变形，通过与筒 体端部、平盖的配合来保证容器的密封。伍德密封结构虽无主受力螺栓，密封安 全可靠，但结构较复杂，而且装配要求也较高。由于金属垫片加工精度要求高， 所需的预紧力较大，因此密封结构的设计制造和安装都有较高的要求。伍德密封 的改进结构虽然简化了一些部件，去掉了金属垫片的预紧螺栓，采用o 型圈代 替金属垫片进行密封，但伍德密封结构对制造和安装的要求实质上并未降低。例 如，金属垫片配合仍然存在，加工精度要求依然很高；在工作状态下，容器内压 产生的应力仍然要靠拉紧螺栓来承担，其受力较大且对材质和加工精度要求也很 高。 浙江大学硕士学位论文 相较之下，采用基于o 型圈密封的支撑环连接结构是一种结构简单紧凑、 密封安全可靠、装配要求低、经济实用的高压容器密封开启结构【3 2 1 。此结构具 有多种高压容器密封结构的特点和0 形圈密封的优点。 图2 1 是本论文设计的应用于超大容积生物培养釜的支撑环连接结构图。本 章选取超大容积培养釜作为具体例子，就具有快速开启功能的支撑环结构进行详 细研究。 图2 1 支撑环连接结构图 2 2 支撑环结构接触压力的可能分布 支撑环对上简体的接触作用力，有很多种分布可能，图2 2 中描绘了部分分 - 布可能。受试验条件的限制，不可能做大量的实验来验证哪种压力分布的可能性 更大，在此，本文将结合有限元分析方法，来探讨接触应力的分布可能，尤其是 针对均匀压力分布与三角压力分布两种方式进行了详细的比较分析f 3 2 1 。 浙江大学硕士学位论文 图2 2 接触压力可能分布图 2 3 支撑环结构建模 超大容积生物培养釜的设计参数如下o 容积3 0 l ；内直径3 0 0 m m ；有效简 体净深4 5 0 m m ；最高工作温度6 0 ( 3 ；最高工作压力6 0 m p a ；介质为海水。 培养釜的最高工作压力p = 6 0 m p a ( 设计压力6 6 m p a ) ，由于培养液为海水， 容器需要耐腐蚀，故容器材料采用优异具有耐腐蚀性能的马氏体不锈钢 0 c r l 7 n i 4 c u 4 n b ，弹性模量2 0 6 x 1 0 5 m p a ，泊松比= o 3 ，材料密度 p = 7 8 x 1 0 3 k g m 3 ，许用应力【o - 1 。= 3 1 0 m p a 3 1 1 3 5 1 3 6 1 。 2 3 1 实体模型建立 ( 1 ) 顶盖设计 进行平盖设计时，主要考虑由内压和支撑环反力联合作用产生的最大弯曲应 力是否满足强度要求，并以此为设计依据确定平盖的厚度。在力学计算模型上， 平盖可以看作是受均布载荷的圆板的弯曲问题，支撑环对平盖的反作用力可以看 作是对圆平板的边界约束。支撑环对平盖的约束介于周边简支和周边固支之间。 平盖在周边简支条件下，最大弯曲应力为： ( o r ) m 。=3 ( 3 + 1 ) p a 研 平盖在周边固支条件下，最大弯曲应力为： ( 2 一1 ) 浙江大学硕士学位论文 ( 0 - 3 f 詈等 ( 2 2 ) 对比式( 4 - 6 ) 与式( 4 - 7 ) ，显然平盖在周边简支条件下的弯曲应力更大。 因此，从安全的角度出发，选择平盖在周边简支条件下的受力模型进行设计。开 孔削弱系数根据钢制压力容器标准进行计算： 铱= 半 ( 2 3 ) 根据工艺孔要求，取以= 2 4 m m ，代入式( 4 8 ) 可得级= o 9 2 3 。从而 ( o - r ) f 掣筹州 4 ， 代入各已知参数d 1 = 3 1 0 m m ，岛= 6 6 m p a ，【盯】f = 3 10 m p a ，= o 3 ， 仇= 0 9 2 3 ，有： 8 2 8 r a m ，考虑到腐蚀余量取j f l 口= 8 5 r a m 。 ( 2 ) 支撑环设计 考虑到支撑环的受力特点与键相似，其主要失效形式为截断面剪切失效和挤 压失效，因此，支撑环的设计从防止剪切失效和挤压失效两个方面进行设计。为 此，一是对支撑环上的环形剪切面进行剪应力校核设计，二是对支撑环上的内外 两个挤压面进行挤压强度校核设计。支撑环材料选择马氏体不锈钢 0 c r l 7 n i 4 c u 4 n b ，其许用应力【吖= 3 1 0 m p a ( 按g b l 5 0 1 9 9 8 选取) ，剪切许用 应力h = o 6 o r 。= 1 8 6 m p a 。 剪切设计支撑环厚度h p ” 剪切强度公式r 2 j o 【f 】 ( 2 - 5 ) 端甜承受力= 孕 ( 2 _ 6 ) 剪切面面积彳= 万嚷办 ( 2 7 ) 把武( 2 5 ) 、式( 2 6 ) 代入式( 2 - 7 ) 得 浙江大学硕士学位论文 脸高 4 以l 引 ( 2 8 ) 式中：简体内直径口= 3 0 0 m m ，剪切许用应力【f 】= 18 6 m p a ，简体最高工作 压力b = 6 0 m p a ，a o = 3 1 0 m m 。把各参数代入式( 2 4 ) ，得 h 2 3 4 m m 考虑到支撑环被剖分成不对称的三部分和加工、安装等不确定因素的影响， 会导致剪切应力分布不均，取h = 2 5 r a m 。 挤压设计支承内径 挤压校核公式2 老【】( 2 - 9 ) 内环挤压面积为如= 三( 刃刃) ( 2 1 0 ) 式中：如一挤压面积，m m ； 【】一挤压许用应力，【o b s = 1 5 【盯y = 4 6 5 m p a 。 把各已知参数代入式( 2 - 9 ) 和式( 2 1 0 ) 可得： 以2 8 6 7 m m ，取或= 2 8 0 r a m 。 挤压设计支承外径 外环挤压面积为= 百7 1 、口。2 一彰) ( 2 - 11 ) 式中：如一挤压面积，m m ； 【 一挤压许用应力，【】= 1 5 【万】f = 4 6 5 m p a 。 把各已知参数代入式( 2 - 9 ) 、式( 2 11 ) 可得： 。d w 3 3 4 2 m m ，取d 。= 3 4 0 m m 。 ( 3 ) 上简体设计 培养釜的上简体结构采用类似伍德密封的轴向力承受结构，如图2 3 所示。 为防止应力集中导致筒体破坏，在设计支撑环安装沟槽时，一需要严格控制圆弧过 渡半径的大小，以保证上简体的安全可靠。上筒体设计的主要特点：两个危险截 面分开一定的距离，且基本同步达到安全极限，降低了应力集中；容器的轴向力 浙江大学硕士学位论文