一种水下航行器轻质高刚度型复合材料耐压壳体结构的制作方法

本发明涉及水下航行器领域，特别是涉及一种水下航行器轻质高刚度型复合材料耐压壳体结构。

背景技术：

耐压壳体是水下航行器的重要组成部分，其主要起到承受外部深海静水压力、为内部的设备系统或人员提供水密空间的作用。目前常见的水下航行器耐压壳体主要采用金属材料制造，如高强度钢、钛合金、铝合金等；同时也出现了大量的复合材料耐压壳体，但主要采用单一的高强度碳纤维缠绕复合材料耐压壳或单一常规夹层复合材料圆柱壳体结构。目前常用的水下航行器的耐压壳体结构主要存在以下问题：金属耐压壳体重量较大，且无法实现功能性设计；单一高强碳纤维纤维复合材料耐压壳体结构虽然比金属耐压壳体质量轻，但存在结构承载效率不高、层间剪切强度不足及厚壳缠绕工艺难度大的问题；而常规的夹层复合材料圆柱壳体，尤其是当采用功能型芯材且芯材厚度较厚时，常存在结构剪切变形大、局部缺陷和损伤容易扩展的问题。

由于上述不足，导致水下航行器的性能，包括环境适应能力、使用效率、成本以及安全性等方面经常难以满足实际使用的需求，限制了水下航行器的推广应用。

技术实现要素：

本发明创造的目的在于，提供一种在夹层复合材料圆柱壳内外表层之间内置复合材料加强筋的新型轻质高刚度性复合材料构成的耐压壳体结构。

一种水下航行器轻质高刚度型复合材料耐压壳体结构，包括由高强度碳纤维缠绕而成的外表层、内表层，以及设置在外表层与内表层之间的复合材料加强筋，加强筋之间填充有芯材；

加强筋采用单一环向或“环向+轴向”或“螺旋交叉”布置方式；

对于单一环向加强筋，采用环向湿法缠绕的方式进行制造；

对于“环向+轴向”或“螺旋交叉”加强筋，采用真空辅助成型工艺进行制造；

采用螺旋交叉方式的内置加强筋时，加强筋布置方向与圆柱壳轴线夹角为45°～60°；

采用“环向+轴向”或“螺旋交叉”布置时，加强筋从两个方向相互交叉，在铺放时，两个方向的纤维在交叉点处隔1～3层轮流裁断。

进一步地，外表层、内表层由复合材料纤维使用湿法螺旋缠绕工艺制得。

进一步地，外表层、内表层以及加强筋由耐海洋环境的环氧树脂或乙烯基酯树脂作为基脂，并使用高刚度型碳纤维纤维束/带或织物增强后制得。

进一步地，芯材是指浮力材料、吸声材料或泡沫材料，所选芯材的密度低于0.9×10³kg/m3，弹性模量＞50mpa，压缩强度不低于10mpa，剪切强度不低于2mpa。

进一步地，浮力材料或吸声材料采用浇铸成型或分块拼接成型工艺；采用分块拼接成型工艺时，芯材之间用环氧树脂进行粘接，芯材之间粘接面采用斜搭接方式通过环氧胶连接。

进一步地，加强筋的横断面采用i型、矩形、t型、γ型或π型。

本发明还提供一种水下航行器轻质高刚度型复合材料耐压壳体结构加工方法，包括如下步骤：

①制造内部芯模，修正其内部芯模直径以及圆度，保证直径误差小于1％，圆度公差≤0.01；

②采用湿法缠绕进行内表层的成型，修正其内表层的直径以及圆度，保证直径与设计值最大误差＜1％，圆度公差≤0.01；

③进行芯材的安装与粘接，可采用瓦状芯材拼接至内表层或整体圆柱形芯材套入的方式，保证配合间隙≤0.5mm；芯材全部安装完毕后，采用真空辅助成型工艺进行内表层和芯材的整体粘接、固化；

④对安装完毕并固化完全的芯材进行精车加工，按照加强筋的布置位置和尺寸，加工出加强筋安装空间；

⑤按照加强筋宽度，选用等宽度纤维带或纤维束，采用纤维铺放和真空成型工艺进行加强筋的成型，纤维铺放完毕后，采用真空成型工艺完成加强筋的成型及其与芯材的粘接；

⑥对整体固化完成后的加强筋与芯材的外表面进行精车加工和型线检验，保证直径与设计值最大误差＜1％，圆度公差≤0.01；

⑦采用湿法缠绕进行外表层的成型，并进行外表层外表面的检测和修整，保证直径与设计值最大误差＜1％，圆度公差≤0.01。

进一步地，步骤⑤中，采用顺时针和逆时针方向螺旋交叉的方式设置加强筋，在交叉区对两方向的加强筋间隔1～3层进行交替裁剪。

进一步地，步骤⑤中，加强筋采用轴向和环向交叉布置方式，芯材采用泡沫材料、浮力材料，且采用浇铸成型工艺；

复合材料加强筋采用竖向或水平卡嵌铺设，铺设时，在加强筋的卡钳部位挖设卡钳槽，卡钳槽深度为加强筋厚度的采用一体真空成型于耐压壳体内表层及芯材之间。

进一步地，步骤⑤中，加强筋采用环向湿法缠绕的方式进行制造，芯材采用斜搭接面方式，搭接角度为20°～90°并通过高强环氧胶进行坚固连接。

其有益效果在于：

本发明中的水下航行器轻质高刚度型复合材料耐压壳体结构可大大降低芯材的剪切应力和剪切变形；与常规夹层圆柱壳体结构相比，可提高结构的失稳载荷30％以上；可显著减小局部损伤对结构强度的影响，并可依靠内置加强筋有效抑制内部裂纹和损伤的扩展；同时可实现减轻结构重量，提高水下航行器续航能力，并可实现吸声、无磁、减振等功能设计，实现结构承载与功能一体化的设计目标。

附图说明

图1是水下航行器轻质高刚度型复合材料耐压壳体实施例一的立体结构示意图；

图2是水下航行器轻质高刚度型复合材料耐压壳体实施例一的内部结构示意图；

图3是水下航行器轻质高刚度型复合材料耐压壳体实施例一加强筋的安装示意图一；

图4是水下航行器轻质高刚度型复合材料耐压壳体实施例一加强筋的安装示意图二；

图5是水下航行器轻质高刚度型复合材料耐压壳体实施例二的内部结构示意图；

图6水下航行器轻质高刚度型复合材料耐压壳体实施例二加强筋的安装示意图；

图7是水下航行器轻质高刚度型复合材料耐压壳体实施例三的内部结构示意图；

图8水下航行器轻质高刚度型复合材料耐压壳体实施例三芯材的搭接方式示意图。

具体实施方式

为使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定，以下结合实施例对本发明的水下航行器轻质高刚度型复合材料耐压壳体结构进行详细介绍。

实施例一

本发明的一种水下航行器轻质高刚度型复合材料耐压壳体结构，包括由高强度碳纤维缠绕而成的外表层、内表层，以及设置在外表层与内表层之间的复合材料加强筋，加强筋之间填充有芯材；加强筋采用单一环向或“环向+轴向”或“螺旋交叉”布置方式；对于单一环向加强筋，采用环向湿法缠绕的方式进行制造；对于“环向+轴向”或“螺旋交叉”加强筋，采用真空辅助成型工艺进行制造；采用螺旋交叉方式的内置加强筋时，加强筋布置方向与圆柱壳轴线夹角为45°～60°；采用“环向+轴向”或“螺旋交叉”布置时，加强筋从两个方向相互交叉，在铺放时，两个方向的纤维在交叉点处隔1～3层轮流裁断。

进一步，外表层、内表层由复合材料纤维使用湿法螺旋缠绕工艺制得；外表层、内表层以及加强筋由耐海洋环境的环氧树脂或乙烯基酯树脂作为基体，并使用高刚度型碳纤维纤维束/带或织物增强后制得，加强筋的横断面采用i型、矩形、t型、γ型或π型。

芯材是指浮力材料、吸声材料或泡沫材料，所选芯材的密度低于0.9×10³kg/m3，弹性模量＞50mpa，压缩强度不低于10mpa，剪切强度不低于2mpa。浮力材料或吸声材料采用浇铸成型或分块拼接成型工艺；采用分块拼接成型工艺时，芯材之间用环氧树脂进行粘接，芯材之间粘接面采用斜搭接方式通过环氧胶连接。

如图1～2所示，本实例中，内外表层的增强材料采用高强度碳纤维束或纤维带，基体采用环氧树脂；内部复合材料加强筋为螺旋交叉式，其增强纤维采用高刚度型碳纤维，基体与表层相同；内部填充芯材采用轻质吸声型高分子材料。

在制造时，采用湿法缠绕+真空辅助成型工艺进行制造。主要流程如下：

①检测内部芯模，主要检测其直径和圆度，其中，直径与设计值最大误差应＜1％，圆度公差≤0.01；

②采用湿法缠绕进行内表层的成型，并进行内表层外表面的检测和修整，应满足：直径与设计值最大误差应＜1％，圆度公差≤0.01；

③进行芯材安装与粘接，安装方法可采用瓦状芯材拼接至内表层或整体圆柱形套入，安装过程中应注意检测其与内表面的配合度，配合间隙应≤0.5mm。安装完毕后，采用真空辅助成型工艺进行内表层和芯材的整体粘接、固化；

④对安装完毕并固化完全的芯材进行精车加工，按照设计的加强筋布置位置和尺寸，加工出加强筋安装空间；

⑤加强筋的制造与安装可采用如下方案：按照加强筋宽度，选用等宽度纤维带或纤维束，采用纤维铺放和真空成型工艺进行加强筋的成型，在顺时针和逆时针加强筋交叉区对两方向的纤维采用图3～图4所示的方法，可避免出现交叉区纤维堆垛过厚的问题，并保证结构的强度。纤维铺放完毕后，采用真空成型工艺完成加强筋的成型及其与芯材的粘接，所采用树脂与缠绕用树脂基体材料体系相同；

⑥对整体固化完成后的加强筋与芯材的外表面进行精车加工和型线检验，保证直径与设计值最大误差应＜1％，圆度公差≤0.01；

⑦采用湿法缠绕进行外表层的成型，并进行外表层外表面的检测和修整，应满足：直径与设计值最大误差应＜1％，圆度公差≤0.01；

采用上述方案的水下航行器复合材料耐压壳体，不仅具有较高的强度和刚度，同时可实现吸声功能设计，达到承载与功能的一体化，但造价相对较高，因此本发明提供以下两种进一步的实施方案，以根据不同需求采用不同的设计加工方案。

实施例二

如图5所示，本实例中的内部加强筋采用轴向和环向交叉布置方式，其表层与加强筋的材料体系、成型工艺方案与实例1相同，而芯材采用轻质材料(如泡沫材料、浮力材料)，达到进一步降低结构重量的目的，且所述芯材采用浇铸成型工艺。

复合材料加强筋采用竖向(或水平铺层)卡嵌铺层连接方案，采用一体真空成型工艺，成型于耐压壳体内部表层及芯材之间，如图6所示。

实施例三

如图7所示，本实例中的内部加强筋采用单一环向布置方式，其表层、芯材和加强筋的材料体系可与实例2相同，可实现同样的功能，同时，此方案中的加强筋，可直接采用环向湿法缠绕的方式进行制造，相对实例1和实例2更便于工程制造。

中间芯材采用斜搭接面方式，搭接角度为20°～90°通过高强环氧胶进行坚固连接，如图8所示。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的实质和范围。