水下大深度耐壓殼體的研究及結構設計

秦亞軍，孫海威

（中國船舶重工集團公司 第七一○研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

隨著科學技術的不斷進步，常用的金屬及非金屬材料越來越難以滿足工程上的需求，特別是對于制造海上應用的水下探測設備。于是逐漸出現(xiàn)了復合材料，尤其是高性能纖維增強型復合材料的出現(xiàn)，在航空航天、汽車及軍事裝備等領域得到了廣泛應用，其優(yōu)良的機械和物理特性已被各行各業(yè)所重視。如考核現(xiàn)代常規(guī)軍事裝備的先進程度，復合材料的用量是一項重要指標；美國汽車制造業(yè)把復合材料的應用視作當前汽車發(fā)展的重大技術措施。

1 結構復合材料簡介

圖1 順纖維方向受力模型

圖2 垂直于纖維方向受力模型

2 設備使用環(huán)境及功能要求

海洋探測設備主要用于海洋環(huán)境觀察及相關數(shù)據(jù)與資料的收集，有些還需在水下一定深度對各層面進行監(jiān)測與探視，因而要求能承受一定的外界壓力；同時耐壓殼體還是水下探測設備的安裝平臺，所以應具備在全天候海洋環(huán)境下保證設備在水面或水中均能正常工作，且外表面不被腐蝕。

3 結構及制造

3.1 結構構成

為使探測設備能安全可靠地在水下完成各類探測與相關數(shù)據(jù)的收集任務，確保耐壓殼體具有一定的承壓和抗腐蝕能力，依據(jù)復合材料的特性及實際使用環(huán)境，耐壓殼體的制造常以輕金屬為內膽，在其外表面敷以增強纖維。同時為使纖維能承受任意載荷，用基體材料將纖維組合成型。實際操作時，通常將纖維按90°方向（周向）纏繞若干層，再按0°方向（軸向）纏繞若干層，組合成單向板復合材料，以增大其承受外載荷的能力；為提高纏繞后纖維層板的抗碰撞能力，在其外層澆注高強度聚胺脂材料，將輕金屬內膽與復合材料連接成一體，外層聚胺脂不僅可起到密封作用，而且韌性也好，提高了使用中的抗沖擊能力，同時亦解決了水下防腐蝕的問題。

3.2 設備的制造

由于耐壓殼體通常是作為水下探測儀的安裝平臺，考慮到使用時的抗腐蝕性能及內部測試儀的適用性，內膽常采用非磁性鋁材或不銹鋼或非金材料制造［2］。為增加整體結構的強度與剛性，將殼體分為3層：①殼體內膽采用鋁合金制作，其目的一是減輕重量，二是以其作為繞制纖維的模具，降低制造成本；②在內膽外有一層樹脂膠液，以增強外層增強型纖維和內膽的結合強度；③最外層敷以增強型纖維，既增加耐壓強度，同時又能減輕重量，還便于加工成整體結構，且可一次固化成型，節(jié)省了原材料及工時，改善了結構承傳力的特性。對于單件產品通常采用手工成型工藝，其主要操作工序是：用加工成型的殼體內膽作為纖維纏繞的模芯，在內膽外表面均勻刷或噴射一層樹脂膠液后，再敷一層纖維復合材料，在操作過程中要使連續(xù)纖維一邊浸漬膠液樹脂，一邊按規(guī)律纏繞到內膽外表面上，最后固化成型。需指出的是在操作過程中纖維應浸透膠液樹脂，并排除內部氣泡。根據(jù)樹脂的種類，成型溫度控制在25 ℃～120 ℃。對于手工制造時成型溫度一般控制在25 ℃～50 ℃，成型周期在2h～24h，無需加壓［3］。耐壓殼體外層澆注高強度聚胺脂材料是借助其自身具有橡膠和塑料的特性，在高硬度時具備高回彈性，且有很高的疲勞壽命及化學穩(wěn)定性，提高了使用中的抗沖擊能力，同時確保了整體構件的密封性能。

4 主要特點

按上述方法由結構復合材料制造出的耐壓殼體具有以下特點：

（1）具有較高的抗疲勞與斷裂性能：金屬裂紋的擴展速度很快，發(fā)生較突然，而復合材料的裂紋擴展速度慢，在發(fā)生破壞前易被發(fā)現(xiàn)。

（2）設計性好：復合材料的宏觀力學性能具有可設計性，用混合律可估算出單向復合材料的基本力學性能，選擇合適的纖維與基體品種，利用層板理論通過合理的鋪層設計，可以獲得結構所需的層板各項異性及耦合特性。

（3）工藝性好：便于采用整體結構，可一次固化成型，利于制造復雜的構件，且可改善結構的承傳力特性。

（4）物理性能可變：依據(jù)不同的使用工況，采用不同的基體可制成不同物理性能的復合材料。

5 結論

綜上所述，作為結構材料來說，復合材料突出的優(yōu)點是重量輕、節(jié)約能量、比強度及比剛度等物理性能高。復合材料是新時代工業(yè)發(fā)展的基礎，目前在交通、能源、宇航等領域均發(fā)揮出作用，同時復合材料的研究和應用也關系到國家未來發(fā)展的戰(zhàn)略，因而成為世界各國關注的重點。

［1］ 聞邦椿.機械設計手冊（第3卷）［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

［2］ 金穜.航空金屬學［M］.北京：科學出版社，1961.

［3］ 成大先.機械設計手冊［M］.第4版.北京：化學工業(yè)出版社，2002.