水下航行器復(fù)合材料耐壓殼優(yōu)選設(shè)計研究

馬騁，李憲棟，許維軍

（哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001）

21 世紀(jì)以來，全球各個國家爭奪戰(zhàn)略優(yōu)勢的制高點(diǎn)已經(jīng)從陸地轉(zhuǎn)向海洋，人們對于海洋的認(rèn)識也開始逐步從淺海走向深海。新時代海洋強(qiáng)國的建設(shè)是實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢的必由之路，深海中的復(fù)雜環(huán)境以及諸多不確定因素都會給水下航行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計等帶來巨大的挑戰(zhàn)。水下航行器的隱蔽性是其重要的性能指標(biāo)之一，通常采用增加潛深或者降低振動噪聲的方法提升隱蔽性[1]。如今，美、俄等國均已掌握了大潛深材料技術(shù)，如美國采用HY 系列合金鋼的“海狼”級核潛艇下潛深度達(dá)到了600 m，俄羅斯采用高強(qiáng)度鈦合金鋼建造的“麥克”級試驗核潛艇下潛深度達(dá)到了1 250 m[2]。

水下航行器耐壓殼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量占整體質(zhì)量的30%以上，極大地限制了自身的承載能力。因此，考慮到采用復(fù)合材料對耐壓殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)選設(shè)計。復(fù)合材料擁有許多固有的優(yōu)良特性，比如高比強(qiáng)度、高比模量、耐腐蝕、質(zhì)量輕、可設(shè)計性強(qiáng)等[3]，在水下航行器非耐壓殼結(jié)構(gòu)上已有著廣泛的應(yīng)用，包括上層建筑、指揮室圍殼等[4]。因此，希望通過采用復(fù)合材料對水下航行器耐壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計研究來實現(xiàn)水下航行器的超大潛深，并降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提升承載能力。

針對復(fù)合材料耐壓結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的研究中，F(xiàn)athallah 等[5-6]、Imran 等[7]、Craven 等[8]研究了碳纖維等層狀復(fù)合材料的鋪層形式對耐壓殼的強(qiáng)度與穩(wěn)定性的影響，并從最大應(yīng)力破壞準(zhǔn)則、Tsai-Wu 準(zhǔn)則、Tsai-Hill 準(zhǔn)則出發(fā)，探究了層合板的失效形式。Xu等[9]、Rajput 等[10]對于復(fù)合材料耐壓殼含有開口或初始缺陷的情況，對耐壓殼的應(yīng)力應(yīng)變特性、極限載荷進(jìn)行了研究。潘濤[11]以大深度潛艇縮尺模型為例，采用有限元仿真研究了有開口的耐壓殼體屈服極限、穩(wěn)定性、局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等問題。王珂晟等[12]針對于纖維纏繞復(fù)合材料圓柱殼在軸壓作用下的穩(wěn)定性問題，利用混合遺傳算法求解其屈曲特征方程，分析了存在初始缺陷的復(fù)合材料圓柱殼在軸壓作用下對穩(wěn)定性的影響。周維新等[13]通過軸壓試驗研究了復(fù)合材料多平面柱殼的優(yōu)缺點(diǎn)，并給出了改進(jìn)方案。朱錫等[14-16]研究了夾芯復(fù)合材料圓柱耐壓殼的強(qiáng)度問題，通過有限元仿真及模型試驗的方法，對夾芯復(fù)合材料耐壓殼的力學(xué)特性及失效模式進(jìn)行了分析。柯仙送等[17]針對于不同溫度下軸壓作用復(fù)合材料圓柱耐壓殼的破壞形式進(jìn)行了有限元仿真與模型試驗。馮麗娜等[18]從經(jīng)典板殼屈曲理論入手，分析了縱向波紋夾芯和環(huán)向波紋夾芯復(fù)合材料耐壓殼的軸壓力學(xué)性能。

目前的研究大多關(guān)注于復(fù)合材料耐壓殼的失效研究或者鋪層形式對于力學(xué)性能的影響，對于水下耐壓結(jié)構(gòu)組合設(shè)計的研究較少。因此，本文著重對耐壓結(jié)構(gòu)優(yōu)選設(shè)計方法進(jìn)行研究，以結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性為目標(biāo)，對耐壓殼體進(jìn)行強(qiáng)度校核，保證肋骨的選擇與耐壓殼體相匹配，總結(jié)設(shè)計方法，并給出最優(yōu)結(jié)果，可以為之后水下航行器復(fù)合材料耐壓殼優(yōu)選工作提供一定的參考。文中關(guān)于水下航行器復(fù)合材料耐壓殼的優(yōu)選設(shè)計主要分為2 部分：耐壓殼體鋪層設(shè)計、環(huán)肋形式選擇。

1 耐壓殼體鋪層設(shè)計

水下航行器的結(jié)構(gòu)形式包括：單殼體、個半殼體、雙殼體。單殼體只包含一層耐壓殼體，過去常用于小型潛艇。個半殼體除了耐壓殼體之外，在它的周圍還布置了非耐壓結(jié)構(gòu)，但非耐壓結(jié)構(gòu)僅有一部分包覆在耐壓殼體上，過去常用于中型潛艇。雙殼體船體在耐壓殼體外包覆了非耐壓水艙，一方面，耐壓結(jié)構(gòu)可以保證潛艇的潛深以及安全性；另一方面，流線型的非耐壓船體可以達(dá)到減阻的目的。因此，目前大型水下航行器廣泛采用這種結(jié)構(gòu)形式，因此本文的研究目標(biāo)為雙殼體形式的復(fù)合材料耐壓結(jié)構(gòu)。

耐壓殼作為水下航行器的核心部件，其失效往往存在2 種不同的形式：殼體的屈曲和材料的破壞。許多研究表明，對于復(fù)合材料圓柱殼而言，其主要破壞形式為屈曲破壞[19-20]，因此穩(wěn)定性在耐壓殼的設(shè)計中顯得尤為關(guān)鍵。一旦水下航行器在深水中發(fā)生失穩(wěn)，對于人的生命以及設(shè)備安全都是毀滅性的打擊。本節(jié)中以水下航行器耐壓殼體為研究對象，分別以鋪層百分比、鋪層角度、鋪層厚度為設(shè)計變量，對耐壓殼體的力學(xué)性能進(jìn)行分析。耐壓殼的基本尺寸見表1，材料參數(shù)見表2。

表1 耐壓殼基本尺寸Tab.1 Basic dimensions of pressure shell mm

表2 某碳纖維材料參數(shù)Tab.2 Parameters of carbon fiber material

1.1 耐壓殼鋪層設(shè)計的一般原則

水下航行器在深水中受力，相當(dāng)于耐壓船體受到一個均勻載荷，其值等于耐壓船體軸線的船舯處至自由水面高度的水柱壓力。即：

由于耐壓殼的尺度相較于下潛深度來說較小，近似認(rèn)為耐壓殼的外部載荷為均勻靜水壓力。取一條梁帶進(jìn)行分析，梁帶受軸向力T1和梁帶兩側(cè)相互擠壓產(chǎn)生的側(cè)向力T2[21]，如圖1 所示。由平衡方程可以得到，T1及T2合力計算見式（2）、（3）。

圖1 梁帶受力示意圖Fig.1 Schematic diagram of the force acting on the beam strip

對于碳纖維材料而言，由于材料的各向異性沿材料主方向的性能通常較好。因此，不同鋪層形式的碳纖維層合板可以應(yīng)對不同的工況[22]。

1）選擇0°、±45°、90°等4 種鋪層方向的層合板。

2）均衡對稱鋪設(shè)原則。避免拉-彎、拉-剪耦合而引起固化后的翹曲變形。

3）鋪層最小比例原則。對于0°、±45°、90°鋪層，其任意方向的鋪層最小比例應(yīng)大于6%。

4）鋪設(shè)順序原則。主要從3 個方面考慮：應(yīng)使各定向單層盡量沿層合板厚度均勻分布，避免將同一鋪層角的鋪層集中放置。如不得不使用時，一般不超過4 層，以減少2 種定向?qū)拥膶觾?nèi)開裂和邊緣分層；如果層合板中含有±45°層、0°層和90°層，應(yīng)盡量在+45°層和–45°層之間用0°層和90°層隔開，在0°層和90°層之間用+45°層或–45°層隔開，并避免將90°成組鋪放，以降低層間應(yīng)力；對于暴露在外的層合板，在表面鋪設(shè)織物或±45°層，將具有較好的使用維護(hù)性，也可以改善層合板的壓縮和抗沖擊性能[23]。

5）規(guī)定0°鋪層為沿耐壓殼周向鋪放，根據(jù)梁帶受力平衡方程，為保證耐壓殼的周向強(qiáng)度，應(yīng)保證有足夠比例的0°鋪層。

1.2 鋪層樣本的選擇

對于耐壓殼體的鋪層總數(shù)設(shè)計為20 層，并采用對稱鋪層設(shè)計。首先考慮各角度鋪層所占百分比對耐壓殼穩(wěn)定性的影響，根據(jù)各個角度纖維所占鋪層纖維總數(shù)的百分比不同，共分為了3 個系列，見表3。根據(jù)不同鋪層百分比系列設(shè)置鋪層順序，鋪層角度順序見表4。

表3 鋪層百分比設(shè)置Tab.3 Layer percentage settings

表4 鋪層順序Tab.4 Layering sequence

設(shè)計完9 組不同的鋪層角度后，考慮單層的厚度設(shè)計，增加單層厚度可以增加耐壓船體的剖面模數(shù)W，以及提升結(jié)構(gòu)剛度。根據(jù)船舶總縱強(qiáng)度的彎曲正應(yīng)力計算公式（σ=M/W），增加剖面模數(shù)W會降低彎曲正應(yīng)力σ，因此可以提升耐壓殼體的極限載荷。同樣地，根據(jù)耐壓船體臨界失穩(wěn)載荷計算公式，提升殼厚度可以提升水下航行器的穩(wěn)定性。由于水下航行器耐壓殼屬于薄殼范疇，耐壓殼體厚度t應(yīng)遠(yuǎn)小于中面最小曲率半徑R，即t/R≤0.05。在改變單層厚度時，保證該纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)Vf不變，單層厚度的取值分別為1、1.25、1.5 mm，殼體的總厚度為20、25、30 mm。以鋪層序號A1 為例，給出了其鋪層形式，如圖2 所示。

圖2 序號A1 鋪層形式Fig.2 Layer form for No.A1

1.3 耐壓殼穩(wěn)定性計算及分析

通過ABAQUS 軟件建立幾何模型，對復(fù)合材料耐壓殼體進(jìn)行穩(wěn)定性計算，以確定殼體的失穩(wěn)壓力。在進(jìn)行穩(wěn)定性計算時，通常需要設(shè)置相應(yīng)的邊界條件，并施加載荷。對耐壓殼體表面施加單位均布壓縮載荷，并在殼體的一個端面建立MPC 約束，通過MPC 作用點(diǎn)的位置，施加一個等效的節(jié)點(diǎn)力。然后對施加節(jié)點(diǎn)力的一端釋放軸向轉(zhuǎn)角（UR1=UR2=0），而另一端則進(jìn)行簡支約束（UR1=UR2=UR3=0）。軸向等效節(jié)點(diǎn)力的計算見式（4）[21]。

式中：R為殼體半徑，m；Pc為計算壓力，Pa；n為節(jié)點(diǎn)數(shù)。

計算得到復(fù)合材料耐壓殼體的一系列失穩(wěn)模態(tài)，由于所添加的載荷為單位載荷，故相應(yīng)的特征值即為該耐壓殼體的失穩(wěn)壓力。以單層厚度為1.5 mm 的鋪層序號A1 耐壓殼殼體為例，失穩(wěn)模態(tài)及有限元計算結(jié)果如圖3 所示。

圖3 單層厚度為1.5 mm 的A1 耐壓殼體失穩(wěn)模態(tài)Fig.3 Instability mode of A1 pressure shell with a single layer thickness of 1.5 mm

經(jīng)過同樣的約束與加載過程，可以計算得到其他鋪層角度不同單層厚度的失穩(wěn)壓力，見表5。

表5 復(fù)合材料耐壓殼體穩(wěn)定性計算結(jié)果Tab.5 Stability calculation result for composite pressure shell

在測試了9 種不同鋪層形式在不同單層厚度下碳纖維耐壓殼的失穩(wěn)壓力后，設(shè)置高強(qiáng)度鋼為對照組，該高強(qiáng)度鋼彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，屈服極限σs=588 MPa，密度ρ=7.86 g/cm3。當(dāng)高強(qiáng)度鋼耐壓殼體厚度分別為20、25、30 mm 時，計算得到其失穩(wěn)壓力分別為0.382 4、0.654 9、1.045 2 MPa。將以上數(shù)據(jù)繪制為耐壓殼體失穩(wěn)壓力柱狀圖，如圖4 所示。

圖4 耐壓殼體失穩(wěn)壓力Fig.4 Instability pressure of pressure shell

從有限元計算結(jié)果可以看出，隨著單層厚度的增加，復(fù)合材料耐壓殼體的失穩(wěn)壓力也在逐漸增加。但是不應(yīng)過度增加殼厚度，否則會導(dǎo)致耐壓殼體不再屬于薄殼范疇（即t/R≤0.05 的殼體），以及增大結(jié)構(gòu)的容重比。±45°度鋪層直接鋪設(shè)在最外層會導(dǎo)致復(fù)合材料耐壓殼體穩(wěn)定性下降，應(yīng)在最外層鋪設(shè)0°鋪層或者0°和45°鋪層。對比3 個系列復(fù)合材料耐壓殼體，發(fā)現(xiàn)增加0°鋪層百分比可以增加復(fù)合耐壓殼體的穩(wěn)定性，但是整體提升并不明顯。由于復(fù)合材料高模量的特點(diǎn)，在高強(qiáng)度鋼與復(fù)合材料耐壓殼幾何尺寸相同的情況下，復(fù)合材料耐壓殼體的失穩(wěn)壓力提升在56.06%以上。

1.4 耐壓殼極限載荷計算及分析

基于Tsai-Wu 強(qiáng)度理論來計算各鋪層百分比下“梁帶”的極限載荷，極限載荷的計算方法采用層合板的末層失效準(zhǔn)則。當(dāng)載荷較小時，整個層合板處于線彈性狀態(tài)。隨著外載荷的不斷增大，某一單層板發(fā)生了失效破壞，此時可以認(rèn)為層合板發(fā)生了失效，即首層失效準(zhǔn)則，但是首層失效準(zhǔn)則相對來說過于保守。盡管層合板中某一單層板發(fā)生了失效，但是對層合板而言，仍然能夠繼續(xù)承載。此時對失效的單層進(jìn)行折減，重新計算層合板的剛度，使其繼續(xù)承載。隨著載荷進(jìn)一步變大，更多的單層發(fā)生失效，剛度進(jìn)一步降低，最終層合板中所有的單層板都發(fā)生了失效，層合板整體失效，即末層失效準(zhǔn)則[24]，并將此載荷作為復(fù)合材料“梁帶”的極限載荷。

平面應(yīng)力狀態(tài)下，Tsai-Wu 張量準(zhǔn)則形式上與Hoffman 失效準(zhǔn)則一致，即材料不發(fā)生失效的條件為：

其中各項參數(shù)按式（6）確定。

經(jīng)過計算可以得到不同鋪層百分比下“梁帶”的極限載荷，見表6。

表6 “梁帶”極限載荷Tab.6 Ultimate load of "beam strip"

將以上數(shù)據(jù)繪制成不同鋪層百分比對應(yīng)的極限載荷柱狀圖，如圖5 所示。

圖5 耐壓殼體極限載荷Fig.5 Ultimate load of pressure shell

從“梁帶”的極限載荷計算結(jié)果可以看出，隨著單層厚度的增加，復(fù)合材料耐壓殼體的極限載荷也在逐漸增加，即其對應(yīng)的水深也在增加。對比3 個系列復(fù)合材料耐壓殼體，發(fā)現(xiàn)增加0°鋪層百分比可以顯著增加復(fù)合耐壓殼體極限載荷。這種情況是因為0°鋪層方向是“梁帶”受力最大的方向，基于極限載荷考慮，應(yīng)選擇1 系列鋪層比例為(50%/40%/10%)的鋪層形式。因此，綜合穩(wěn)定性與強(qiáng)度計算，耐壓殼體的鋪層形式選擇為[0/±45/0/0/±45/0/90/0]s，單層厚度為1.5 mm。

2 耐壓殼環(huán)肋形式設(shè)計

2.1 肋骨形式及有限元模型

水下航行器的耐壓結(jié)構(gòu)一般包含主殼體以及環(huán)肋，在確定主殼體的鋪層形式選擇之后，應(yīng)對肋骨形式進(jìn)行選擇和設(shè)計。在本節(jié)中，以在橫艙壁之間設(shè)置一系列等間距同剛度肋骨的耐壓殼作為基本模型。為了廣泛討論肋骨形式對耐壓殼穩(wěn)定性的影響，考慮的肋骨形式包括：槽形肋骨、T 形肋骨、角鋼形肋骨以及矩形肋骨，如圖6 所示。

圖6 不同肋骨模型示意圖Fig.6 Schematic diagram of different rib models:a) grooved rib;b) T-shaped rib;c) angle steel rib;d) rectangular rib

通常的肋骨形式包含腹板和面板，復(fù)合材料肋骨的鋪層形式應(yīng)從其具體的受力情況出發(fā)來考慮。當(dāng)復(fù)合材料耐壓殼處于靜水中時，耐壓殼主要承受由靜水壓力帶來的環(huán)向壓縮載荷，對于整個復(fù)合材料耐壓殼，存在一個整體的環(huán)向壓應(yīng)力，因此需要增加面板的環(huán)向強(qiáng)度。肋骨的腹板除了需要承受面板帶來的環(huán)向壓應(yīng)力之外，在耐壓殼產(chǎn)生形變時，會對腹板與耐壓殼連接的部位產(chǎn)生一個側(cè)向彎矩以及一個徑向拉力或者壓力，即耐壓殼體會對肋骨腹板產(chǎn)生徑向正應(yīng)力和切向剪應(yīng)力。因此，在考慮腹板的鋪層方向時，除了需要考慮環(huán)向壓應(yīng)力外，還需要考慮肋骨自身的側(cè)向失穩(wěn)問題[25]。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合有限元軟件以及可行的成形工藝，主要可以研究腹板鋪層形式（正交、環(huán)向）與面板鋪層形式（正交、環(huán)向）對耐壓殼臨界失穩(wěn)壓力的影響，鋪層形式的設(shè)置見表7。

2.2 含環(huán)肋的耐壓殼穩(wěn)定性計算分析

對于纖維增強(qiáng)材料，由于材料的各向異性沿材料主方向的性能通常較好，因此不同的鋪層形式的層合板可以應(yīng)對不同的載荷工況，建立不同肋骨形式以及鋪層形式下復(fù)合材料耐壓殼體的有限元模型，對比研究復(fù)合材料耐壓殼環(huán)肋形式對水下航行器穩(wěn)定性的影響。以槽形肋骨（腹板與面板均為環(huán)向鋪層）為例，在ABAQUS 中建立有限元模型，如圖7 所示。在ABAQUS 中對于耐壓殼體和肋骨利用綁定約束進(jìn)行連接，默認(rèn)耐壓殼與肋骨之間不會發(fā)生脫黏等失效行為。

圖7 槽型環(huán)肋圓柱殼有限元模型Fig.7 Finite element model of grooved rib pressure shell

建立有限元模型后進(jìn)行屈曲分析，可得到耐壓殼的一系列失穩(wěn)模態(tài)。由于所添加的載荷為單位載荷，故相應(yīng)的特征值即為該耐壓殼體的失穩(wěn)壓力。經(jīng)計算可以得到，槽型環(huán)肋耐壓殼（環(huán)向，環(huán)向）的失穩(wěn)壓力為Pcr=15.997 MPa，計算深度為hc=1600 m，失穩(wěn)模態(tài)及有限元計算結(jié)果如圖8 所示。

圖8 槽形環(huán)肋耐壓殼失穩(wěn)模態(tài)（環(huán)向，環(huán)向）Fig.8 Instability mode of grooved rib pressure shell (circumferential,circumferential)

將不同肋骨形式和鋪層形式的環(huán)肋耐壓殼進(jìn)行屈曲分析，獲得其失穩(wěn)壓力，見表8。

表8 肋骨形式對耐壓殼穩(wěn)定性影響計算結(jié)果Tab.8 Calculation result for the effect of rib form on the stability of pressure shell

從表8 中可以看出，選用槽形肋骨可以最大限度地提升水下航行器的極限潛深，然后是T 形肋骨以及角鋼形肋骨。橫向?qū)Ρ雀骼吖切问桨l(fā)現(xiàn)，采用包含面板的肋骨的耐壓殼的穩(wěn)定性相較于不含面板的肋骨的耐壓殼有較大的提升，因此在實際的水下航行器建造過程中，加強(qiáng)筋應(yīng)選擇包含面板的肋骨形式。縱向?qū)Ρ雀骼吖堑匿亴有问桨l(fā)現(xiàn)，面板采用環(huán)向鋪層的耐壓殼的穩(wěn)定性普遍優(yōu)于正交鋪設(shè)的情況，是由于材料主方向與外載荷的方向相一致導(dǎo)致的。但是腹板采用正交鋪層對穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)不大，分析原因可能是由于耐壓殼主殼體微小變形所產(chǎn)生的切向剪應(yīng)力并不大，因此其腹板的鋪層形式仍應(yīng)當(dāng)以靜水載荷帶來的環(huán)向壓應(yīng)力為主。

從上述計算結(jié)果可以看出，肋骨的形式對耐壓殼的穩(wěn)定性至關(guān)重要。根據(jù)肋骨穩(wěn)定性計算結(jié)果，并結(jié)合上文所述內(nèi)容，保證肋骨的選擇與耐壓殼體相匹配，該耐壓殼的肋骨形式可以確定為腹板與面板采用環(huán)向鋪設(shè)的T 形肋骨。該復(fù)合材料耐壓殼的優(yōu)選設(shè)計結(jié)果見表9。該復(fù)合材料水下航行器的極限潛深為760 m，相比于“海狼”級核潛艇下潛深度提升了26.67%。

表9 復(fù)合材料耐壓殼優(yōu)選設(shè)計Tab.9 Optimization design of composite pressure shell

2.3 耐壓殼質(zhì)量與容重比計算結(jié)果

耐壓殼既是水下航行器的重要組成部分，又保證了其擁有足夠的浮力與承載能力，因此耐壓殼的質(zhì)量對潛艇的容重比有很大的影響。容重比是一個無量綱參數(shù)，表征了水下航行器的空船質(zhì)量與排水量之比。當(dāng)水下航行器的容重比越小，該水下航行器所能提供的承載能力就越強(qiáng)，可利用的有效荷載就越大。因此，為了盡可能地提升水下航行器的承載能力，在實際的建造過程中，往往追求更小的容重比。對于復(fù)合材料耐壓殼，應(yīng)當(dāng)校核耐壓殼質(zhì)量與耐壓結(jié)構(gòu)的容重比，探究復(fù)合材料在減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、保障水下航行器承載能力方面性能的優(yōu)劣。為了結(jié)果直觀，保持不同材料耐壓殼尺寸不變，根據(jù)耐壓殼基本尺寸參數(shù)，計算了高強(qiáng)度鋼、碳纖維材料耐壓殼在一個艙段內(nèi)的耐壓殼重量以及容重比，見表10。

表10 耐壓殼質(zhì)量及容重比Tab.10 Weight and volumetric weight ratio calculation

從表10 中可以看出，將復(fù)合材料用于水下航行器耐壓結(jié)構(gòu)，可以極大地降低潛艇質(zhì)量，平衡載質(zhì)量與排水量之間的關(guān)系。由于碳纖維材料的密度低，故由該材料設(shè)計而成的耐壓殼結(jié)構(gòu)質(zhì)量較輕，相對于高強(qiáng)度鋼耐壓殼質(zhì)量減輕79.61%。因此，碳纖維水下航行器在耐壓殼尺寸不變時，結(jié)構(gòu)容重比較小，相對于高強(qiáng)度鋼水下航行器，容重比降低約80%。

3 結(jié)論

通過對碳纖維復(fù)合材料耐壓殼分2 步進(jìn)行優(yōu)選設(shè)計，保證肋骨的選擇與耐壓殼體相匹配，給出了復(fù)合材料耐壓殼優(yōu)選設(shè)計結(jié)果，并且通過耐壓殼體鋪層設(shè)計、環(huán)肋形式選擇2 部分內(nèi)容，得出如下結(jié)論：

1）從穩(wěn)定性的角度，碳纖維材料耐壓殼體通過一定的鋪層角度設(shè)計，相較于高強(qiáng)度鋼材料，穩(wěn)定性更加優(yōu)越。此外，單層厚度、鋪層百分比、鋪層角度的變化對復(fù)合材料耐壓殼的穩(wěn)定性均有一定影響，應(yīng)該合理地控制各個變量，以提升水下航行器的潛深。雖然在耐壓殼表面鋪±45°層可以改善層合板的壓縮和抗沖擊性能，但是會導(dǎo)致耐壓殼體穩(wěn)定性下降，應(yīng)在最外層鋪設(shè)0°鋪層或者0°和45°鋪層。

2）從極限載荷的角度，單層厚度、鋪層百分比會影響層合板中的應(yīng)力分布情況，進(jìn)而影響耐壓殼的極限載荷。考慮受力進(jìn)行鋪層設(shè)計時，應(yīng)著重提升受力最大方向的承載能力，即增加受力方向的鋪層百分比。

3）從環(huán)肋形式設(shè)計的角度，耐壓殼設(shè)置環(huán)肋可以極大地提升水下航行器的極限潛深，但是在設(shè)置肋骨時，應(yīng)合理選擇肋骨形式與鋪層形式，綜合考慮肋骨受力狀態(tài)與幾何尺寸。在最后的選型階段，應(yīng)該保證肋骨的選擇與耐壓殼體相匹配，即在盡可能提升水下航行器潛深的同時，水下航行器所承受的靜水壓力不得超過其復(fù)合材料殼板的極限載荷。