一种深海仿生耐压壳体的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机械结构设计领域，涉及一种潜水器，尤其涉及一种用于深海潜水器 的仿生耐压壳体。
【背景技术】
[0002] 随着海洋开发速度不断加快，从近海到远海探索深度不断增加，各种作业目的的 潜水器种类繁多、发展迅速，主要用于资源勘探与开发、科学研宄、军事探测和打捞等方面。 作为潜水器的重要组成部分，耐压壳体起着保障下潜过程中内部设备正常工作和人员健康 安全的作用，其重量占潜水器总重的1/4-1/2。耐压壳体是承受静水压力的薄壳结构，要求 具有良好的力学特性、壳内空间利用率、流体动力学特性、乘员舒适性，以提升潜水器的安 全性、载运能力、机动性和下潜时间等性能。
[0003] 现役耐压壳体主要为球形结构和柱形结构。其中，球形壳具有力学特性好、材料利 用率高等优点，但空间利用率低、水动力学特性差，主要应用于深海潜水器；柱形壳具有空 间利用率高、流体动力学特性好等特点，但材料利用率低、力学特性差，且需要内部加强，一 般应用于浅海潜水器。此外，耐压壳体还包括具有良好流体动力学特性的水滴结构，以及具 有较强耐压特性的环形结构，但均严重牺牲了耐压壳体的其它性能。可见，现有耐压壳体设 计水平无法同时满足或有效协调这些性能，给深海潜水器开发造成了技术瓶颈。
[0004] 生物经过亿万年进化，自然选择出具有良好耐压特性的蛋壳、头颅、贝壳、螺壳等 壳类结构。其中，蛋壳是一种满足正高斯曲线的多焦点、回转型薄壁结构，具有良好的重量 强度比、跨距厚度比、流线型、美学特性、合理的材料分布等优点。蛋壳满足圆顶原理，无需 额外加强支撑，利用最少的材料即可获得足够的强度和稳定性，是一种优异的仿生模型，建 筑领域广泛采用蛋壳形仿生结构。在均布压力作用下，蛋壳可通过面内压力抵抗外载荷，此 时壳体表现出超强的耐压特性。显然，蛋壳可为深海耐压壳体设计提供有效的生物信息。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷，将蛋壳优异生物特性运用到 深海耐压壳体设计中，提供一种具有良好力学特性、材料利用率、壳内空间利用率、流体动 力学特性、乘员舒适性的深海仿生耐压壳体，进而综合提升潜水器的安全性、载运能力、机 动性和下潜时间。
[0006] 为了达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
[0007] -种深海仿生耐压壳体，由左端封头1、右端封头3和中部壳体2构成一长度为L、 宽度为B、旋转半径为R(X)的轴对称蛋壳形结构，其中，所述中部壳体2的厚度t2为等强度 变厚结构，所述左端封头1的厚度tl和右端封头3的厚度t3分别为等厚结构，所述左端封 头1与中部壳体2为固定连接，所述右端封头3与中部壳体2通过法兰螺栓4或者带有密 封圈的活动舱盖相连接。
[0008] 所述法兰螺栓4包括螺栓41、螺母42、垫圈43、密封圈45、第一法兰44和第二法 兰46,其中第一法兰44与中部壳体2固定连接，第二法兰46与右端封头3固定连接。
[0009] 所述耐压壳体的长度L与宽度B的比值为L :B = (1. 2~1. 4) :1。
[0010] 所述左端封头1的长度L1、右端封头3的长度L3分别为耐压壳体的长度L的1~ 30%〇
[0011] 所述左端封头1和中部壳体2连接处以及所述中部壳体2和右端封头3连接处的 厚度为均匀过渡。
[0012] 所述固定连接为焊接连接。
[0013] 所述耐压壳体的材质为塑性材料或复合材料中的任一种，其中塑性材料最佳为钛 合金或钢；复合材料最佳为碳纤维、陶瓷纤维或芳纶纤维增强的树脂基复合材料。
[0014] 所述旋转半径R(X)的值大小为：
[0015]
【主权项】
1. 一种深海仿生耐压壳体，其特征在于：由左端封头（1)、右端封头（3)和中部壳体 (2)构成一长度为L、宽度为B、旋转半径为R(X)的轴对称蛋壳形结构，其中，所述中部壳体 (2)的厚度t2为等强度变厚结构，所述左端封头（1)的厚度tl和右端封头（3)的厚度t3 分别为等厚结构，所述左端封头（1)与中部壳体（2)为固定连接，所述右端封头（3)与中部 壳体（2)通过法兰螺栓（4)或者带有密封圈的活动舱盖相连接。
2. 根据权利要求1所述的深海仿生耐压壳体，其特征在于：所述法兰螺栓（4)包括螺 栓（41)、螺母（42)、垫圈（43)、密封圈（45)、第一法兰（44)和第二法兰（46)，其中第一法兰 (44)与中部壳体（2)固定连接，第二法兰（46)与右端封头（3)固定连接。
3. 根据权利要求1所述的深海仿生耐压壳体，其特征在于：所述耐压壳体的长度L与 宽度B的比值为L :B = (1. 2~L 4) :1。
4. 根据权利要求1所述的深海仿生耐压壳体，其特征在于：所述左端封头（1)的长度 L1、右端封头（3)的长度L3分别为耐压壳体的长度L的1~30%。
5. 根据权利要求1所述的深海仿生耐压壳体，其特征在于：所述左端封头（1)和中部 壳体（2)连接处以及所述中部壳体（2)和右端封头（3)连接处的厚度为均匀过渡。
6. 根据权利要求1所述的深海仿生耐压壳体，其特征在于：所述固定连接为焊接连接。
7. 根据权利要求1所述的深海仿生耐压壳体，其特征在于：所述耐压壳体的材质为塑 性材料或复合材料中的任一种，其中塑性材料最佳为钛合金或钢；复合材料最佳为碳纤维、 陶瓷纤维或芳纶纤维增强的树脂基复合材料。
8. 根据权利要求1所述的深海仿生耐压壳体，其特征在于：所述旋转半径RU)的值大 小为：
其中，X为外表面上任一点到左端封头1端面的距离，RU)为X处的旋转半径。
9. 根据权利要求1所述的深海仿生耐压壳体，其特征在于：所述中部壳体（2)的厚度 t2为等强度变厚结构，当所述耐压壳体的材质为钛合金或钢时，则中部壳体（2)的厚度t2 的值为：
其中P为计算压力，[σ]为许用应力，R'（X)为RU)对X的一阶导数，R〃(X)为R(x) 对X的二阶导数； 当所述耐压壳体的材质为碳纤维、陶瓷纤维或芳纶纤维增强的树脂基复合材料时，则 中部壳体（2)的厚度t2的值为：
其中P为计算压力，[σ]为许用应力，R'（X)为R(X)对X的一阶导数，R〃(X)为R(X) 对X的二阶导数。
【专利摘要】本发明公开了一种深海仿生耐压壳体，由左端封头、右端封头和中部壳体构成一长度为L、宽度为B、旋转半径为R(x)的轴对称蛋壳形结构，其中，所述中部壳体的厚度t2为等强度变厚结构，所述左端封头的厚度t1和右端封头的厚度t3分别为等厚结构，所述左端封头与中部壳体为固定连接，所述右端封头与中部壳体通过法兰螺栓或者带有密封圈的活动舱盖相连接。本发明具有良好的力学特性、壳内空间利用率、流体动力学特性、乘员舒适性，有利于综合提升潜水器的安全性、载运能力、机动性和下潜时间。同时还减轻了耐压壳体重量，增大了耐压壳体的储备浮力，降低加工制造难度和成本。
【IPC分类】B63G8-00, B63C11-52
【公开号】CN104648638
【申请号】CN201510073803
【发明人】张建, 高杰, 王明禄, 王纬波, 唐文献, 朱永梅, 吴文伟, 晏飞, 苏世杰
【申请人】江苏科技大学
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年2月11日