碳纖維耐壓艙在深海潛水器中的應用研究

高維瑾，郭宇琦，紀丹陽，車士俊

摘要在國家大舉發展大潛深、高承載潛水器的背景下，為了解決深海潛水器對耐壓結構關鍵部件輕量化、高強度、高疲勞強度的需求，本文通過對碳纖維復合材料進行優化選材，使得結構設計滿足設計要求。采用ANSYS建立有限元模型，對耐壓艙進行結構設計及強度、穩定性計算。并通過靜壓試驗艙裝置對耐壓艙開展靜水壓力試驗，驗證其結構穩定性。在90 MPa外壓作用下，耐壓艙復合材料筒各應力分量最大值小于T700級碳纖維/環氧樹脂材料設計值，端蓋端環Mises應力小于TC4鈦合金材料抗拉強度，耐壓艙整體一階屈曲系數1.81，均滿足設計要求。研制碳纖維復合材料耐壓結構，并通過靜壓試驗艙裝置對碳纖維耐壓艙進行外壓試驗，在76.5 MPa壓力環境下，耐壓艙具有深海耐壓生存能力。本文研制的碳纖維耐壓艙滿足深海使用技術要求，為深海潛水器重要組成部件提供了一種有效的解決途徑。

關鍵詞碳纖維；耐壓艙；深海潛水器；外壓測試；有限元分析

Research on Application of Fiber Ballast Tank?in Deep-sea Submersible

GAO Weijin1， GUO Yuqi2， JI Danyang1， CHE Shijun1

（1.Harbin FRP Institute Co.，Ltd.，Harbin 150028；2.The Architectural Design and?Research Institute of HIT Co.， Ltd.，Harbin 150001）

ABSTRACTUnder the background of large-scale development of deep diving and high bearing submersibles in China. In order to solve the deep-sea submersible pressure structure key components of light weight， high strength， high fatigue strength needs. In this paper， the material selection of carbon fiber composite is optimized to make the structural design meet the design requirements. The finite element model is established by ANSYS， and the structure design and strength and stability calculation of the pressure cylinder are made. The hydrostatic pressure test of the pressure cylinder was carried out by the static pressure experimental chamber device to complete the experimental verification. Under the effect of 90 MPa external pressure， the maximum stress component of the composite cylinder was less than the design value of T700 carbon fiber/epoxy resin material. The Mises stress of the end cap ring was less than the tensile strength of TC4 titanium alloy material， and the overall first-order buckling coefficient of the ballast tank was 1.81， which met the design requirements. The pressure structure of carbon fiber composite material is developed， and the external pressure test of carbon fiber ballast tank is carried out by static pressure experimental chamber device. Under the pressure environment of 76.5 MPa， the ballast tank has the survivability of deep sea pressure. The carbon fiber pressure resistant cabin developed in this article meets the technical requirements for deep-sea use. Provide an effective solution for important components of deep-sea submersibles.

KEYWORDScarbon fiber; ballast chamber; bathyscaphe; external pressure test; finite element analysis

1引言

深海潛水器主要由外部耐壓結構和內部框架結構組成，其中耐壓結構起到抵擋外部海水壓力的作用，為深海潛水器內部儀器設備提供穩定的工作環境，是深海潛水器的核心部件［1］。目前深海潛水器耐壓結構通常采用合金鋼或者鈦合金材料，但因材料密度較大，使得耐壓結構重量占總重量比例較大，限制了深海潛水器承載重量。在如今國家大舉發展大潛深、高承載的背景需求下，有必要對耐壓結構進行輕量化設計，而碳纖維增強復合材料因其具有低密度、高強度、高模量、耐疲勞性、耐腐蝕性和可設計性等優異性能［2-5］，已廣泛應用于載人潛水器、無人潛水器等設備的耐壓結構之中［6-8］。深海潛水器組件間連接形式主要有卡環連接、法蘭連接、負壓連接三種。卡環連接：裝配兩側組件徑向裝配面各加工半圓形或矩形環槽，通過金屬分瓣卡環（小尺寸潛器可采用塑料帶材）填充環槽進行軸向固定，軸向通過銷釘進行定位。該方式多應用于船舶系統產品。由于軸向密封密封圈未壓縮，組件間軸向存在間隙，卡環無法實現安裝，卡環連接密封圈形式多采用徑向密封形式。法蘭連接：裝配兩側組件設計加工連接法蘭，組件間通過法蘭進行連接。法蘭連接可以均勻施加軸向載荷，可以采用軸向或徑向密封。由于法蘭形式占用空間較大，對潛器流體外形以及重量控制存在消極影響。負壓連接：裝配兩側組件不進行機械連接，多采用徑向+軸向密封，通過徑向密封插接口控制裝配關系，裝配后對潛器內部抽真空形成內部負壓，保證連接強度。適用于小型ROV/AUV潛器。

在國家大舉發展大潛深、高承載潛水器的背景下［9-12］，為了解決深海潛水器對耐壓結構關鍵部件輕量化、高強度、高疲勞強度的需求，本文通過對碳纖維復合材料進行優化選材，使得結構設計滿足設計要求，研制碳纖維復合材料耐壓結構［13-18］，并通過靜壓試驗艙裝置對耐壓艙進行外壓試驗，從而為深海潛水器重要組成部件提供了一種有效的解決途徑。

2方案設計

本試驗研究所選用的耐壓艙由采用碳纖維制成的筒體和兩端金屬端環、前/后金屬封頭構成。碳纖維筒體采用T700級碳纖維纏繞成型的通長無環肋結構，碳纖維筒體外側刷涂外防水涂層；耐壓艙兩端的金屬端環采用TC4鈦合金材質，與碳纖維筒體之間通過膠粘劑進行粘接，主要承擔連接和密封功能；耐壓艙前/后金屬封頭也采用TC4鈦合金材質，上面配有不同尺寸規格的螺紋孔，起到外部天線連接作用。金屬端環與前/后金屬封頭之間通過軸線方向螺紋孔采用法蘭連接結構連接。耐壓艙產品結構示意圖如圖1所示。

2.1設計要求

復合材料耐壓艙長度910 mm，外徑Φ356 mm，碳纖維筒體外有1 mm厚外防水涂層。

碳纖維筒體長度630 mm，外徑Φ354 mm，內徑Φ286 mm，壁厚34 mm。

最大工作深度6000 m，計算載荷按90 MPa，耐壓艙測試壓力為76.5 MPa保壓2小時，62 MPa保壓14小時。在外壓試驗下，結構強度不發生破壞，結構不發生失穩。

2.2復合材料密封

由于碳纖維/環氧樹脂復合材料自身不具備密封性，在水下工作外部壓力作用下，水分可以通過復合材料的微裂紋及空隙滲入耐壓艙內部，影響耐壓艙的正常使用，因此在碳纖維的端面、側面需要進行隔離保護。

在碳纖維筒體的兩端，采用鈦合金端環進行密封保護，通過膠粘劑將端環和碳纖維筒體粘接在一起。在碳纖維筒體外柱面采用聚氨酯/聚脲類樹脂進行密封，由內向外依次成型底漆、中間漆、面漆，各層之間具有高結合力，復合后的涂層的抗沖擊、耐機械磨損、耐介質性能均非常良好。有機涂層對深海耐壓結構體防護成本較低、施工方便、維修維護簡單，是一種行之有效的防護方法，目前已經在復合材料潛水器上成功應用。

深海潛水器連接密封形式多采用O型密封圈密封，根據密封壓力、構件連接裝配形式等，確定O型密封圈尺寸規格及材質。密封溝槽形式多采用軸向密封（端面密封）以及徑向密封（活塞桿密封），并根據密封可靠性要求采用雙道密封形式（軸向+徑向/軸向+軸向）。

2.3剛強度

碳纖維耐壓艙具有足夠的強度和剛度，能夠承受吊裝、運輸等工況不出現破損、連接失效等問題。

艙體表面涂層應具有一定程度的防護功能，在正常使用過程中不出現滲漏、破損、界面脫粘開裂等情況，能夠承受一定程度的磕碰、刮蹭不出現失效破壞等問題。

2.4疲勞強度

該碳纖維耐壓艙應用到大深度潛航器中，需要來回承受0～6000 m的海水壓力交變，在進行設計時應考慮碳纖維艙，碳纖維與鈦合金結合處等的壓力交變、溫度交變等疲勞問題，其耐受交變次數大于2000次。

3有限元計算

應用ANSYS有限元模型對復合材料耐壓艙及金屬件進行建模。依據結構尺寸、載荷工況，分析整體結構在相關載荷條件下的力學行為，按技術要求對此結構進行驗證與校核，計算結果供設計參考，有限元模型如圖2所示。

3.1復合材料及金屬選材

碳纖維筒體采用T700級碳纖維/環氧樹脂復合材料，設計參考值如表1所示。而根據水下耐壓艙的使用特性，金屬端環與前/后金屬封頭選用與復合材料電化學腐蝕特性較友好的TC4鈦合金材料，材料參數如表2所示。

3.2載荷及邊界條件

邊界條件約束：在前/后金屬封頭上施加兩個分別限制X、Y方向的位移約束，在筒身中間施加一個限制Z方向（軸向）的位移約束。

載荷：耐壓艙外表面施加90 MPa外壓。

注：仿真模型中耐壓艙軸線方向為Z軸。

3.3仿真計算結果

在90 MPa外壓下，耐壓艙組件變形云圖及應力云圖如圖3～圖6，變形及各部位應力如表3所示。

在90 MPa外壓下，碳纖維筒體各應力分量最大值小于T700級碳纖維/環氧樹脂材料設計值，金屬封頭和金屬端環Mises應力小于TC4鈦合金材料抗拉強度，滿足設計要求。耐壓艙整體一階屈曲系數1.81，滿足設計要求。

4試驗驗證

碳纖維耐壓艙應用120 MPa靜壓試驗艙裝置進行外壓試驗。該裝置采用自動化加壓系統，自動控制試驗過程，包括壓力設定、保壓時間設定、排氣卸壓時間設定和升壓梯度的設定等。

復合材料耐壓艙筒體及金屬封頭裝配完成后，稱重，將金屬封頭各連接接口用金屬堵頭封堵，進行靜水壓力試驗。

4.1試驗條件

（1）升壓階段：升壓時采用逐級勻速升壓，升壓速率不大于1 MPa/min，升壓到1 MPa、10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa、50 MPa、60 MPa、70 MPa、76.5 MPa分別保壓3分鐘；

（2）保壓階段：在76.5 MPa保壓2小時；

（3）泄壓階段：保壓2小時后，泄壓至62 MPa，泄壓速率不大于1 MPa/min；

（4）保壓階段：在62 MPa保壓14小時；

（5）泄壓階段：泄壓時采用逐級勻速卸壓，在50 MPa保壓1分鐘，隨后緩慢泄壓至0 MPa，泄壓速率不大于1 MPa/min。

4.2試驗結果

用水壓試驗系統記錄壓力罐中壓力值變化情況，并形成壓力-時間曲線，如圖8所示。試驗結束后，將耐壓艙從靜壓試驗艙裝置中取出，擦拭干凈耐壓艙外表面水漬，試驗前后分別對耐壓艙進行稱重，產品外觀完好無變形、無破壞、艙內無滲水痕跡、重量無變化，視作產品合格。經檢驗，泄壓后耐壓艙外壓測試密封系統外觀完好、無泄漏、耐壓艙無增重。試驗結果說明，在76.5 MPa壓力環境下，耐壓艙外壓具有耐壓生存能力。

5結語

耐壓艙由碳纖維筒體、兩端金屬端環和前/后金屬封頭構成。碳纖維筒體采用T700級碳纖維/環氧樹脂復合材料，采用無環肋結構，碳纖維筒體外側噴涂外防水涂層；根據水下耐壓艙的使用特性，耐壓艙金屬端環和前/后金屬封頭選用與復合材料電化學腐蝕特性較友好的TC4鈦合金材料。通過有限元模擬計算和壓力試驗，得出如下結論：

（1）結構設計，碳纖維筒體兩端金屬端環與前/后金屬封頭之間通過軸線方向螺紋孔采用法蘭連接結構連接。碳纖維筒體外部密封通常采用聚氨酯/聚脲彈性體樹脂涂層，采用噴涂形式覆蓋在筒體表面。研制的碳纖維耐壓艙具有高剛強度、高疲勞強度和防水性能，滿足使用要求。

（2）有限元分析表明，在90 MPa外壓作用下，碳纖維耐壓艙筒體各應力分量最大值小于T700級碳纖維/環氧樹脂材料設計值，金屬封頭和金屬端環Mises應力小于TC4鈦合金材料抗拉強度，耐壓艙整體一階屈曲系數1.81，均滿足設計要求。

（3）試驗驗證，研制碳纖維復合材料耐壓結構，并通過靜壓試驗艙裝置對碳纖維耐壓艙進行外壓試驗，泄壓后耐壓艙外壓測試密封系統外觀完好、無泄漏、耐壓艙無增重，在76.5 MPa壓力環境下，耐壓艙具有深海耐壓生存能力，滿足設計要求。

參 考 文 獻

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