一种水下航行器复合材料安装板的制作方法

本实用新型属于水下航行器结构部件技术领域，更具体地，涉及一种水下航行器复合材料安装板。

背景技术：

随着各种新技术在水下航行器上的推广应用，对水下航行器结构重量控制提出了挑战，需要进一步减轻结构重量。

在水下航行器舱段，设置安装板结构，原设计材质为铝合金板或高强镁铝合金板，外形为圆形薄板，结构尺寸较小并开设了系列通孔、安装孔、 M3不锈钢螺纹件(10个)和M5钛合金螺纹件(18个)，其中每个M5螺纹件上需垂直安装一个结构件。

复合材料指由两种或两种以上材料的独立物理相通过物理或化学复合工艺组合或构造，形成的新型细观结构构形或新材料。常用的非金属基复合材料增强相包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、高强聚乙烯纤维等，基体包括环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂、酚醛树脂等。以最常用的玻璃纤维、碳纤维和环氧树脂基体复合材料为例，玻璃纤维增强复合材料(GFRP)的密度是1.7-1.8g/cm³，拉伸模量是18-40GPa，拉伸强度是 500-1000MPa；碳纤维增强复合材料(CFRP)的密度是1.5-1.6g/cm³，拉伸模量是110-200GPa，拉伸强度是800-1500MPa。可以看出，复合材料结构密度普遍较低，是钢的20％左右，是铝合金的60％左右；复合材料的弹性模量接近金属材料，强度远高于钢、铝等材料。随着国内复合材料基础理论与制造工艺日益成熟，突破了刚度要求高、连接型式多样化、制造工艺规范化等关键技术，已具备了深入工程应用的基本条件。在水下航行器结构上，采用复合材料替代原金属材料安装板，并进行结构型式设计、强度校核和生产工艺设计，将在满足力学性能要求基础上，获得较好的减重效果。

专利CN 104827682公开了一种复合材料板的制造方法及其产品，该方法包括：先将预浸布裁切成所需大小；将裁切好的预浸布叠合在一起；将叠合好的预浸布放入模具中，合模后将蒸气循环通入模具内部的管路中对上模和下模进行加热达到第一温度值；之后进入第一等待时间；将蒸气循环通入管路中对上模和下模进行加热达到第二温度值；接着进入第二等待时间；将蒸气通入管路中对上模和下模进行加热达到第三温度值；同时开启气压阀的增压开关，通过滑块对半固化的预浸布进行施压；开启蒸气进入阀，使管路中的蒸气压力达到一目标值，进行保温；经过一段时间后开启冷却液体开关，对上模和下模进行降温。但专利CN 104827682采用膜压成型，该方法成型周期短，能耗低，尚不能直接应用于水下航行器复合材料安装板制造。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种水下航行器复合材料安装板，目的在于设计一种耐轴向和径向冲击载荷作用，轻质、高强型复合材料的水下航行器安装板。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种水下航行器复合材料安装板，该安装板包括：

预埋件，其为六边形边框、矩形边框或减轻型矩形边框型嵌套螺纹件；以及

复合材料板体，其四周开设有多个通孔，用于与周围结构紧固连接，所述复合材料板体中心开设有减轻孔，所述复合材料板体上开设有多个与所述嵌套螺纹件相适应的螺纹孔，用于与所述嵌套螺纹件配合连接。

进一步地，所述复合材料板体为层合板或夹芯板。

优选地，所述层合板的材料为碳纤维板、高强聚乙烯或碳纤维混杂板。

优选地，所述碳纤维板的厚度为4.5mm～6mm。

优选地，所述夹芯板为2mm碳纤维+2mm夹层+2mm碳纤维或2.5mm碳纤维+1mm夹层+2.5mm碳纤维形式。

进一步地，所述夹芯板包括表层和中间层。

优选地，所述表层为碳纤维铺层结构。

优选地，所述中间层为聚氯乙烯铺层结构。

优选地，所述表层的铺层为20。

优选地，所述中间层的铺层为4。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本实用新型采用复合材料水下航行器安装板后，样品阶段减轻了结构重量达17％；相比金属材质板上钻孔嵌套钢丝螺套，复合材料板螺纹件接口采用嵌套式结构，整体性好、工艺稳定、强度更高；复合材料板具有不导电、耐腐蚀等优点。

附图说明

图1为现有技术中金属材质安装板结构型式；

图2为本实用新型实施例的一种水下航行器复合材料安装板示意图；

图3为本实用新型实施例的嵌套螺纹件六边形边框型式；

图4为本实用新型实施例的嵌套螺纹件矩形边框型式；

图5为本实用新型实施例的嵌套螺纹件减轻型矩形边框型式。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为现有技术中金属材质安装板结构型式。其结构重量比较大，难以满足水下航行器的要求。图2为本实用新型实施例的一种水下航行器复合材料安装板示意图。如图1所示，该安装板包括开孔复合材料板体和预埋件，复合材料板与预埋件通过整体一次成型，开孔板采用碳纤维增强复合材料树脂传递模塑成型工艺制成，复合材料板中间开减轻孔，四周结构安装工艺为8个通孔紧固连接；安装板上设有系列通孔、不锈钢螺纹件(10 个)和钛合金螺纹件(18个)。

在本实用新型的优选实施例中，不锈钢螺纹件为10个。

在本实用新型的优选实施例中，钛合金螺纹件为18个。

安装板材料采用碳纤维布与环氧树脂，碳纤维(CFRP)、高强聚乙烯 (SPECTRA)、PVC泡沫材料等，详细材料参数见如表1。

表1复合材料安装板选材参数

在本实用新型的优选实施例中，碳纤维板的厚度为6mm。

在本实用新型的优选实施例中，高强乙烯/碳纤混杂的厚度为6mm。

在本实用新型的优选实施例中，碳纤维板的厚度为5.5mm。

在本实用新型的优选实施例中，碳纤维板的厚度为5mm。

在本实用新型的优选实施例中，碳纤维板的厚度为4.5mm。

在本实用新型的优选实施例中，夹芯板为2mm碳纤维+2mm夹层+2mm碳纤维形式。

在本实用新型的优选实施例中，夹芯板为2.5mm碳纤维+1mm夹层+2.5mm 碳纤维形式。

持续时间1.5ms，轴向冲击载荷作用下，复合材料安装板结构方案及最大应力、变形情况见表2。其中，碳纤维板、高强乙烯/碳纤混杂板均为层合板结构形式；夹芯板表层采用碳纤维层合板结构，中间夹芯层采用PVC 泡沫材料。

表2 1.5ms轴向载荷冲击作用下强度计算结果(无减轻孔)

从表2中可以看出，6mm碳纤维层合板、6mm高强聚乙烯/碳纤维混杂层合板，5.5mm碳纤维层合板均满足承载要求，复合材料安装板最大变形与原镁铝合金安装板相近，且分别减轻安装板重量约102g、149g、150g。因此，该三种复合材料结构方案可以作为复合材料安装板结构形式。

在本实用新型的优选实施例中，考虑到安装板重量减轻对总体性能控制的优势，可以在安装板中间位置开设50mm的圆形减轻孔。因此，基于表 2中三种满足强度要求的复合材料安装板方案，在其中间位置开设50mm圆形减轻孔，其在持续时间1.5ms轴向冲击载荷作用下，应力和变形情况见表3，其中碳纤维与高强聚乙烯混杂铺层方式为：中间采用1mm厚的高强乙烯铺层，铺层数为4；表层采用碳纤维铺层，层数为20。可以看出，6mm碳纤维层合板、6mm高强乙烯/碳纤混杂(1:5)满足力学性能要求。

表3 1.5ms轴向载荷冲击作用下强度计算结果(Φ50mm减轻孔)

采用上述满足要求的五种复合材料安装板结构方案，进行0.5ms轴向冲击载荷下强度校核，最大应力和变形计算结果见表4。可以看出，各种方案均满足要求。

表4 0.5ms轴向载荷冲击作用下强度校核结果

采用上述五种复合材料安装板结构方案，在8ms、10ms径向冲击载荷下强度校核，最大应力和变形计算结果见表5-表6。可以看出，五种方案均满足要求。

表5 8ms径向载荷冲击作用下强度校核结果

表6 10ms径向载荷冲击作用下安装板强度校核结果

图3为本实用新型实施例的嵌套螺纹件六边形边框型式；图4为本实用新型实施例的嵌套螺纹件矩形边框型式；图5为本实用新型实施例的嵌套螺纹件减轻型矩形边框型式。如图3、4和图5所示，嵌套螺纹件包括轴对称，六边形边框、矩形边框、减轻型矩形边框三种结构型式。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。