薄壁復合材料耐壓筒在水下潛器中的應用研究

摘 要 圍繞國家海洋戰略規劃，為解決水下無人潛航器對輕量化、高強度、高穩定性耐壓結構關鍵部件的迫切需求，本文通過對碳纖維復合材料進行優化選材，研制不同長度的薄壁復合材料滿足深海耐壓需求。采用ANSYS建立有限元模型，對薄壁耐壓筒進行結構設計及強度、穩定性計算。并通過深海壓力模擬測試裝置對1000 mm和500 mm耐壓筒開展靜水壓力試驗，驗證其結構穩定性。有限元分析表明，各向應力均有1.6倍以上安全系數可滿足強度要求；在補強后1000 mm和500 mm復合材料耐壓筒在外壓作用下屈曲系數分別為1.95和2.0，大于1.8要求值，可滿足剛度使用需求。隨后在深海壓力模擬測試裝置對耐壓筒進行2 MPa外壓測試下，1000 mm和500 mm耐壓筒均具有耐壓生存能力。本文研制的不同長度的薄壁復合材料滿足技術要求，為無人潛水器重要組成部件提供了一種有效的解決方案。

關鍵詞 薄壁耐壓筒；水下潛器；外壓測試；有限元分析

Research on Application of Thin-walled Composite

Pressure Cylinder in Underwater Vehicle

GAO Weijin1， GUO Yuqi2， JI Danyang1， CHEN Jian1， DU Xingwei1

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

ABSTRACT Around the national Marine strategic planning， in order to solve the urgent needs of the key components of the lightweight， high-strength， high-stability high-pressure structure of the underwater unmanned aerial vehicle. In this paper， thin wall composites of different lengths are developed by optimizing the selection of carbon fiber composites. The finite element model is established by ANSYS， the structure design and strength and stability calculation of the thin-wall pressure cylinder are made. The hydrostatic pressure test of 1000 mm and 500 mm pressure cylinder was carried out by the deep-sea pressure simulation test device to complete the experimental verification. The finite element analysis shows that the safety factor of each stress is more than 1.6 times to meet the strength requirements. After reinforcement， the buckling coefficients of the 1000 mm and 500 mm composite pressure cylinder under external pressure are 1.95 and 2.0. Respectively， greater than the required value of 1.8， which can meet the rigidity requirements. Then， the pressure cylinder is tested by the deep-sea pressure simulation test device for 2 MPa external pressure. In the pressure environment， both 1000 mm and 500 mm pressure cylinders have pressure survivability. Thus， the thin-wall composites of different lengths developed in this paper meet the technical requirements， providing an effective solution for the heavy components of unmanned submersible.

KEYWORDS thin-walled pressure cylinder; the underwater vehicle; external pressure test; finite element analysis

1 引言

水下潛器作為海洋高新科技技術的重要組成部分，是開展海洋勘探、資源開發利用、海洋科學研究、維護國家海洋權益和資源安全不可或缺的手段，其技術水平在一定程度上代表了國防能力和科技水平［1］。

耐壓筒作為水下潛器的核心部件，其設計需求要滿足低重量、高強度以及穩定性，對耐壓筒結構性能提出了更高的要求。碳纖維增強樹脂復合材料由于其低密度、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］。近年來，隨著水下潛器附加功能性要求，出現了新型圓柱耐壓筒［9-11］。在宏觀層面上，環肋加強圓柱耐壓筒［12］是潛艇的主要抗壓結構，可以有效提高耐壓筒的結構穩定性。國內外學者對肋型、環肋高度、肋數與耐壓筒體性能之間的關系做了大量的分析和研究［13-17］。研究表明，（1）環肋可以大大提高圓柱耐壓筒的結構效率，并且加肋結構的屈曲載荷受初始缺陷的影響很小；（2）加肋圓柱耐壓筒的軸向初始屈曲抗力和后屈曲抗力均有明顯提高，在軸壓過程的彈性變形階段，加肋對圓柱耐壓筒結構的剛度起主導作用；（3）環肋數量影響圓柱耐壓筒的臨界壓力，當厚度半徑比一定時，隨著環肋數目的增多，圓柱耐壓筒的臨界壓力不斷增大，臨界壓力的增加幅度也隨之增大［18］。

圍繞國家海洋戰略規劃，為解決水下無人潛航器對輕量化、高強度、高穩定性耐壓結構關鍵部件的迫切需求，本文通過對碳纖維復合材料進行優化選材，使得結構設計滿足使用條件，研制不同長度的薄壁復合材料耐壓筒，利用有限元仿真軟件ANSYS對所設計的耐壓艙進行靜力仿真及模態分析，并通過深海壓力模擬測試裝置對耐壓筒進行外壓測試，從而為無人潛水器重要組成部件提供了一種有效的解決方案。

2 方案設計

本試驗研究的薄壁耐壓筒厚度僅為5 mm，共研制1000 mm和500 mm兩種規格耐壓筒，耐壓筒由碳纖維筒體和兩端金屬端環構成，碳纖維筒體采用T800級碳纖維纏繞成型有環肋結構，碳纖維筒體外側設外防水層，前后兩端金屬端環采用7075-T6鋁合金材質。碳纖維筒體和金屬端環之間通過膠粘劑進行粘接，耐壓筒兩端的金屬端環主要承擔筒體節間連接和密封功能。依據不同位置的筒體結構及配合要求，金屬端環的形式有所區別，呈陰陽口形態。兩種薄壁耐壓筒示意圖如圖1所示。

水下潛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）。

由于復合材料的多孔結構特征，復合材料本體難以滿足水下密封要求，需要對復合材料外表面及連接端面進行密封保護，避免工況下出現復合材料滲水失效。復合材料筒體端部密封一般通過裝配金屬零件實現，外部密封可通過高分子樹脂涂層實現。水下潛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。本試驗采用卡環連接，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。

2.1 技術要求

（1）整體施加外壓，對薄壁復合材料耐壓筒按 1.6倍進行強度設計；

（2）2 MPa外壓對應的屈曲系數要求大于1.8。

2.2 復合材料及金屬選材

薄壁耐壓筒由于厚度要求的原因，使用T800級碳纖維和環氧樹脂作為復合材料選材，而根據水下耐壓筒的使用特性，兩端金屬端環選用與復合材料電化學腐蝕特性較友好的7075鋁合金材料。兩種材料的具體參數如表1和表2所示。

3 有限元計算

本試驗研究所選用的耐壓筒外徑Φ534 mm，最小內徑Φ508 mm，直線段長1000 mm和500 mm，壁厚5 mm，在耐壓筒兩端連接金屬端環，計算時在耐壓筒兩端添加口蓋。為提高穩定性，結構設計分別在1000 mm和500 mm耐壓筒軸線方向添加11條和5條環肋，兩條環肋間隔約80 mm，環肋橫截面尺寸為8 mm×8 mm。采用ANSYS對薄壁耐壓筒做結構設計及強度、穩定性計算。有限元模型對復合材料耐壓筒以及金屬端環均采用六面體單元建模，環肋采用四邊形殼單元建模。在耐壓筒口蓋位置施加單點固定約束，有限元模型如下圖2所示。

3.1 載荷條件

應技術要求，對薄壁耐壓筒整體施加外壓，在有限元計算中，強度按照3.2 MPa進行計算，而穩定性按照2 MPa進行計算。

3.2 1000 mm耐壓筒模擬計算結果

對1000 mm復合材料耐壓筒進行結構設計，應力及一階屈曲變形模擬結果如圖3和圖4所示。不同取向應力計算結果如表3所示。從耐壓筒受力圖可看出，筒體X方向壓縮應力為342 MPa，許用值為1000 MPa，各向應力均有1.6倍以上安全系數可滿足強度要求；一階屈曲系數為1.95，2 MPa外壓對應的屈曲系數要求大于1.8，均滿足剛度使用要求。對1000 mm耐壓筒強度位移也進行了模擬分析，結果如圖5所示，具體結果如表4所示。

3.3 500 mm耐壓筒模擬計算結果

對500 mm復合材料耐壓筒進行結構設計，應力及一階屈曲變形模擬結果如圖6和圖7所示。不同取向應力計算結果如表5所示。從耐壓筒受力圖可看出，筒體X方向壓縮為293 MPa，許用值為1000 MPa，各向應力均有1.6倍以上安全系數可滿足強度要求；一階屈曲系數為2.0，2 MPa外壓對應的屈曲系數要求大于1.8，均滿足剛度使用要求。對500 mm耐壓筒強度位移也進行了模擬分析，結果如圖8所示，具體結果如表6所示。

4 試驗驗證

薄壁復合材料耐壓筒的外壓試驗應用深海壓力模擬測試裝置進行，該裝置為8000 m深海壓力試驗艙，設計試驗壓力80 MPa，最大可用壓力100 MPa，內徑0.6 m，有效長度1.5 m，實物如圖9所示。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。

薄壁復合材料耐壓筒及金屬口蓋裝配完成后，進行靜水壓力試驗。加壓時逐級緩慢升壓，試驗升壓壓力分為4級（0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2 MPa），每升壓1級應至少保壓3 min，升壓速率1 min不超過1 MPa，試驗壓力升至2 MPa后，保壓2 h。隨后進行泄壓，泄壓速率1 min不超過1 MPa。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。

試驗結束后，將耐壓筒從壓力罐中取出，擦拭干凈耐壓筒外表面水漬，于試驗前后分別稱量耐壓筒重量，產品無變形、無破壞、艙內無水漬、耐壓筒無增重，視作產品合格。經檢驗，泄壓后1000 mm和500 mm耐壓筒外壓測試密封系統外觀完好、無泄漏、耐壓筒無增重。試驗結果表明，在2 MPa壓力環境下，研制的1000 mm和500 mm薄壁復合材料耐壓筒具有耐壓生存能力。

5 結語

選用T800級碳纖維和環氧樹脂復合材料研制大口徑薄壁耐壓筒，耐壓筒通過沿軸線方向均布添加一定數量環肋以增強耐壓筒體結構穩定性。在耐壓筒兩端粘接金屬端環，起到連接和密封作用，金屬端環材質選用與復合材料電化學腐蝕特性較友好的7075鋁合金材料，外部密封通過高分子樹脂涂層予以實現。隨后通過有限元仿真計算和壓力試驗驗證，得出以下結論：

（1）結構設計，碳纖維耐壓筒與金屬端環通過膠粘劑粘接，外部通過高分子樹脂涂層進行密封，通過筒體內部增設環肋的方式，使得薄壁耐壓筒具有高剛強度、高疲勞強度和防水性能，滿足使用要求。

（2）有限元分析表明，1000 mm和500 mm耐壓筒各向應力均有1.6倍以上安全系數可滿足強度要求；在沿軸線方向均布添加一定數量環肋后，兩種耐壓筒在外壓作用下屈曲系數分別為1.95和2.0，大于1.8要求值，均可滿足剛度使用需求。

（3）對1000 mm和500 mm耐壓筒進行靜水壓力試驗，泄壓后兩種復合材料薄壁耐壓筒外壓測試密封系統外觀完好、無泄漏、耐壓筒無增重，這表明在2 MPa壓力環境下，研制的1000 mm和500 mm薄壁復合材料耐壓筒具有耐壓生存能力，滿足設計要求。

參 考 文 獻

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