碳纖維耐壓艙在深海潛水器中的應(yīng)用研究

高維瑾，郭宇琦，紀(jì)丹陽(yáng)，車士俊

摘要在國(guó)家大舉發(fā)展大潛深、高承載潛水器的背景下，為了解決深海潛水器對(duì)耐壓結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件輕量化、高強(qiáng)度、高疲勞強(qiáng)度的需求，本文通過對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行優(yōu)化選材，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。采用ANSYS建立有限元模型，對(duì)耐壓艙進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度、穩(wěn)定性計(jì)算。并通過靜壓試驗(yàn)艙裝置對(duì)耐壓艙開展靜水壓力試驗(yàn)，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在90 MPa外壓作用下，耐壓艙復(fù)合材料筒各應(yīng)力分量最大值小于T700級(jí)碳纖維/環(huán)氧樹脂材料設(shè)計(jì)值，端蓋端環(huán)Mises應(yīng)力小于TC4鈦合金材料抗拉強(qiáng)度，耐壓艙整體一階屈曲系數(shù)1.81，均滿足設(shè)計(jì)要求。研制碳纖維復(fù)合材料耐壓結(jié)構(gòu)，并通過靜壓試驗(yàn)艙裝置對(duì)碳纖維耐壓艙進(jìn)行外壓試驗(yàn)，在76.5 MPa壓力環(huán)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(shù)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(guān)鍵詞碳纖維；耐壓艙；深海潛水器；外壓測(cè)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(jié)構(gòu)和內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)組成，其中耐壓結(jié)構(gòu)起到抵擋外部海水壓力的作用，為深海潛水器內(nèi)部?jī)x器設(shè)備提供穩(wěn)定的工作環(huán)境，是深海潛水器的核心部件［1］。目前深海潛水器耐壓結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(guó)家大舉發(fā)展大潛深、高承載的背景需求下，有必要對(duì)耐壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，而碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因其具有低密度、高強(qiáng)度、高模量、耐疲勞性、耐腐蝕性和可設(shè)計(jì)性等優(yōu)異性能［2-5］，已廣泛應(yīng)用于載人潛水器、無(wú)人潛水器等設(shè)備的耐壓結(jié)構(gòu)之中［6-8］。深海潛水器組件間連接形式主要有卡環(huán)連接、法蘭連接、負(fù)壓連接三種。卡環(huán)連接：裝配兩側(cè)組件徑向裝配面各加工半圓形或矩形環(huán)槽，通過金屬分瓣卡環(huán)（小尺寸潛器可采用塑料帶材）填充環(huán)槽進(jìn)行軸向固定，軸向通過銷釘進(jìn)行定位。該方式多應(yīng)用于船舶系統(tǒng)產(chǎn)品。由于軸向密封密封圈未壓縮，組件間軸向存在間隙，卡環(huán)無(wú)法實(shí)現(xiàn)安裝，卡環(huán)連接密封圈形式多采用徑向密封形式。法蘭連接：裝配兩側(cè)組件設(shè)計(jì)加工連接法蘭，組件間通過法蘭進(jìn)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(duì)潛器流體外形以及重量控制存在消極影響。負(fù)壓連接：裝配兩側(cè)組件不進(jìn)行機(jī)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(guān)系，裝配后對(duì)潛器內(nèi)部抽真空形成內(nèi)部負(fù)壓，保證連接強(qiáng)度。適用于小型ROV/AUV潛器。

在國(guó)家大舉發(fā)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(duì)耐壓結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件輕量化、高強(qiáng)度、高疲勞強(qiáng)度的需求，本文通過對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行優(yōu)化選材，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求，研制碳纖維復(fù)合材料耐壓結(jié)構(gòu)［13-18］，并通過靜壓試驗(yàn)艙裝置對(duì)耐壓艙進(jìn)行外壓試驗(yàn)，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(shè)計(jì)

本試驗(yàn)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(huán)、前/后金屬封頭構(gòu)成。碳纖維筒體采用T700級(jí)碳纖維纏繞成型的通長(zhǎng)無(wú)環(huán)肋結(jié)構(gòu)，碳纖維筒體外側(cè)刷涂外防水涂層；耐壓艙兩端的金屬端環(huán)采用TC4鈦合金材質(zhì)，與碳纖維筒體之間通過膠粘劑進(jìn)行粘接，主要承擔(dān)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(zhì)，上面配有不同尺寸規(guī)格的螺紋孔，起到外部天線連接作用。金屬端環(huán)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(jié)構(gòu)連接。耐壓艙產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2.1設(shè)計(jì)要求

復(fù)合材料耐壓艙長(zhǎng)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(zhǎng)度630 mm，外徑Φ354 mm，內(nèi)徑Φ286 mm，壁厚34 mm。

最大工作深度6000 m，計(jì)算載荷按90 MPa，耐壓艙測(cè)試壓力為76.5 MPa保壓2小時(shí)，62 MPa保壓14小時(shí)。在外壓試驗(yàn)下，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)不發(fā)生失穩(wěn)。

2.2復(fù)合材料密封

由于碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)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(fù)合材料的微裂紋及空隙滲入耐壓艙內(nèi)部，影響耐壓艙的正常使用，因此在碳纖維的端面、側(cè)面需要進(jìn)行隔離保護(hù)。

在碳纖維筒體的兩端，采用鈦合金端環(huán)進(jìn)行密封保護(hù)，通過膠粘劑將端環(huán)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(jìn)行密封，由內(nèi)向外依次成型底漆、中間漆、面漆，各層之間具有高結(jié)合力，復(fù)合后的涂層的抗沖擊、耐機(jī)械磨損、耐介質(zhì)性能均非常良好。有機(jī)涂層對(duì)深海耐壓結(jié)構(gòu)體防護(hù)成本較低、施工方便、維修維護(hù)簡(jiǎn)單，是一種行之有效的防護(hù)方法，目前已經(jīng)在復(fù)合材料潛水器上成功應(yīng)用。

深海潛水器連接密封形式多采用O型密封圈密封，根據(jù)密封壓力、構(gòu)件連接裝配形式等，確定O型密封圈尺寸規(guī)格及材質(zhì)。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(jù)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(qiáng)度

碳纖維耐壓艙具有足夠的強(qiáng)度和剛度，能夠承受吊裝、運(yùn)輸?shù)裙r不出現(xiàn)破損、連接失效等問題。

艙體表面涂層應(yīng)具有一定程度的防護(hù)功能，在正常使用過程中不出現(xiàn)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(xiàn)失效破壞等問題。

2.4疲勞強(qiáng)度

該碳纖維耐壓艙應(yīng)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(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮碳纖維艙，碳纖維與鈦合金結(jié)合處等的壓力交變、溫度交變等疲勞問題，其耐受交變次數(shù)大于2000次。

3有限元計(jì)算

應(yīng)用ANSYS有限元模型對(duì)復(fù)合材料耐壓艙及金屬件進(jìn)行建模。依據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸、載荷工況，分析整體結(jié)構(gòu)在相關(guān)載荷條件下的力學(xué)行為，按技術(shù)要求對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證與校核，計(jì)算結(jié)果供設(shè)計(jì)參考，有限元模型如圖2所示。

3.1復(fù)合材料及金屬選材

碳纖維筒體采用T700級(jí)碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，設(shè)計(jì)參考值如表1所示。而根據(jù)水下耐壓艙的使用特性，金屬端環(huán)與前/后金屬封頭選用與復(fù)合材料電化學(xué)腐蝕特性較友好的TC4鈦合金材料，材料參數(shù)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(gè)分別限制X、Y方向的位移約束，在筒身中間施加一個(gè)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?yàn)閆軸。

3.3仿真計(jì)算結(jié)果

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

在90 MPa外壓下，碳纖維筒體各應(yīng)力分量最大值小于T700級(jí)碳纖維/環(huán)氧樹脂材料設(shè)計(jì)值，金屬封頭和金屬端環(huán)Mises應(yīng)力小于TC4鈦合金材料抗拉強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。耐壓艙整體一階屈曲系數(shù)1.81，滿足設(shè)計(jì)要求。

4試驗(yàn)驗(yàn)證

碳纖維耐壓艙應(yīng)用120 MPa靜壓試驗(yàn)艙裝置進(jìn)行外壓試驗(yàn)。該裝置采用自動(dòng)化加壓系統(tǒng)，自動(dòng)控制試驗(yàn)過程，包括壓力設(shè)定、保壓時(shí)間設(shè)定、排氣卸壓時(shí)間設(shè)定和升壓梯度的設(shè)定等。

復(fù)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(jìn)行靜水壓力試驗(yàn)。

4.1試驗(yàn)條件

（1）升壓階段：升壓時(shí)采用逐級(jí)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(shí)；

（3）泄壓階段：保壓2小時(shí)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(shí)；

（5）泄壓階段：泄壓時(shí)采用逐級(jí)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(yàn)結(jié)果

用水壓試驗(yàn)系統(tǒng)記錄壓力罐中壓力值變化情況，并形成壓力-時(shí)間曲線，如圖8所示。試驗(yàn)結(jié)束后，將耐壓艙從靜壓試驗(yàn)艙裝置中取出，擦拭干凈耐壓艙外表面水漬，試驗(yàn)前后分別對(duì)耐壓艙進(jìn)行稱重，產(chǎn)品外觀完好無(wú)變形、無(wú)破壞、艙內(nèi)無(wú)滲水痕跡、重量無(wú)變化，視作產(chǎn)品合格。經(jīng)檢驗(yàn)，泄壓后耐壓艙外壓測(cè)試密封系統(tǒng)外觀完好、無(wú)泄漏、耐壓艙無(wú)增重。試驗(yàn)結(jié)果說明，在76.5 MPa壓力環(huán)境下，耐壓艙外壓具有耐壓生存能力。

5結(jié)語(yǔ)

耐壓艙由碳纖維筒體、兩端金屬端環(huán)和前/后金屬封頭構(gòu)成。碳纖維筒體采用T700級(jí)碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，采用無(wú)環(huán)肋結(jié)構(gòu)，碳纖維筒體外側(cè)噴涂外防水涂層；根據(jù)水下耐壓艙的使用特性，耐壓艙金屬端環(huán)和前/后金屬封頭選用與復(fù)合材料電化學(xué)腐蝕特性較友好的TC4鈦合金材料。通過有限元模擬計(jì)算和壓力試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，碳纖維筒體兩端金屬端環(huán)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(jié)構(gòu)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(qiáng)度、高疲勞強(qiáng)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(yīng)力分量最大值小于T700級(jí)碳纖維/環(huán)氧樹脂材料設(shè)計(jì)值，金屬封頭和金屬端環(huán)Mises應(yīng)力小于TC4鈦合金材料抗拉強(qiáng)度，耐壓艙整體一階屈曲系數(shù)1.81，均滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）試驗(yàn)驗(yàn)證，研制碳纖維復(fù)合材料耐壓結(jié)構(gòu)，并通過靜壓試驗(yàn)艙裝置對(duì)碳纖維耐壓艙進(jìn)行外壓試驗(yàn)，泄壓后耐壓艙外壓測(cè)試密封系統(tǒng)外觀完好、無(wú)泄漏、耐壓艙無(wú)增重，在76.5 MPa壓力環(huán)境下，耐壓艙具有深海耐壓生存能力，滿足設(shè)計(jì)要求。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］張穎， 賴長(zhǎng)亮， 和衛(wèi)平， 等. 潛水器耐壓殼結(jié)構(gòu)選材應(yīng)用綜述［J］. 艦船科學(xué)技術(shù)， 2022， 44 （05）： 1-6.

［2］杜善義， 關(guān)志東. 我國(guó)大型客機(jī)先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)應(yīng)對(duì)策略思考［J］. 復(fù)合材料學(xué)報(bào)， 2008， 25 （1）： 1-10.

［3］陳燕， 葛恩德， 傅玉燦， 等. 碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制孔技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望［J］. 復(fù)合材料學(xué)報(bào)， 2015， 32 （2）： 3013-3016.

［4］Agarwal A K， Srivastava D K， Dhar A， et al. Effect of fuel injection timing and pressure on combustion， emissions and performance characteristics of a single cylinder diesel engine ［J］. Fuel， 2013， 111： 374-383.

［5］Heitsch F. Gravitational infall onto molecular filaments. II. Externally pressurized cylinders ［J］. The Astrophysical Journal， 2013， 776 （1）： 62.

［6］于禮瑋， 曹維宇. 碳纖維復(fù)合材料在海洋中的應(yīng)用［J］. 化工新型材料， 2016， 44 （8）： 4-5， 8.

［7］Li M， Zhang L， Li X， et al. Improvements of adhesion strength of water-based epoxy resin on carbon fiber reinforced polymer （CFRP） composites via building surface roughness using modified silica particles ［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2023， 169： 107511.

［8］Zhang C， Zhang X， Luo Y， et al. Green and nondestructive method for constructing multiscale carbon fiber reinforcement via encapsulating chitosan and grafting carbon nanotubes ［J］. ACS Applied Nano Materials， 2021， 4 （12）： 13388-13397.

［9］羅珊， 王緯波. 潛水器耐壓殼結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀及展望［J］. 艦船科學(xué)技術(shù)， 2019， 41 （19）： 7-16.

［10］王曉旭， 張典堂， 錢坤， 等. 深海纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料圓柱耐壓殼力學(xué)性能的研究進(jìn)展［J］. 復(fù)合材料學(xué)報(bào)， 2020， 37 （01）： 16-26.

［11］LOPATIN A V， MOROZOV E V. Buckling of the composite sandwich cylindrical shell with clamped ends under uniform external pressure ［J］. Composite Structures， 2015， 122： 209-216.

［12］KISHORE S， NAIK P P， DENARDO N， et al. Underwater dynamic collapse of sandwich composite structure ［J］. Experimental Mechanics， 2019， 59 （5）： 583-598.

［13］李軍， 劉甲秋， 陳浩然， 等. 深海復(fù)合材料耐壓殼體研制［J］. 纖維復(fù)合材料， 2020， 37 （03）： 64-68.

［14］Al-Jibory M W， Rashid F L， Talib S M. Review on cooling enhancement of different shape gas turbine ribbed blade with thermal barrier coating ［J］. International Journal of Scientific Research and Engineering Development， 2020， 3 （1）： 313-329.

［15］Peng K， Yu T， Hadi M N S， et al. Compressive behavior of hybrid double-skin tubular columns with a rib-stiffened steel inner tube ［J］. composite Structures， 2018， 204： 634-644.

［16］Yu A， Zhao Y， Wang Y， et al. Study on the coupling frequency of double-sided submerged ring-stiffened cylindrical shells ［J］. Shock and Vibration， 2020， 2020： 1-10.

［17］Zhang J， Li S， Cui W， et al. Buckling of Multiple Intersecting Spherical Shells Under Uniform External Pressure ［J］. Journal of Marine Science and Application， 2020， 19： 634-641.

［18］王曉旭， 張典堂， 錢坤， 等. 深海纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料圓柱耐壓殼力學(xué)性能的研究進(jìn)展［J］. 復(fù)合材料學(xué)報(bào)， 2020， 37 （01）： 16-26.