摘" 要：本文以水下1000 m復(fù)合材料耐壓艙為研究對象，針對技術(shù)指標(biāo)要求，對耐壓艙進(jìn)行復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過有限元計(jì)算、鋪層的多次迭代設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)校核，最終設(shè)計(jì)了帶有內(nèi)環(huán)筋，隔層面板和泡沫這種特殊“三明治”夾芯結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料耐壓艙，重量較鋁合金結(jié)構(gòu)減重40 %。對制備的耐壓艙試件進(jìn)行15 MPa外壓試驗(yàn)考核。試驗(yàn)結(jié)果表明，制備的復(fù)合材料耐壓艙在使用條件下未發(fā)生滲水及結(jié)構(gòu)破壞，能夠在實(shí)現(xiàn)減重的同時(shí)滿足使用要求，設(shè)計(jì)的復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)安全可靠，為未來水下耐壓艙體的設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；耐壓艙；有限元；夾層結(jié)構(gòu)；減重

Sandwich structures design for deep-sea

composite material ballast tank

LI Sibo， WANG Sen， HOU Chuanli， WANG Weili， REN Pengfei

（Harbin FRP Institute Co.，Ltd.， Harbin 150028）

Abstract：The underwater 1000 m composite ballast tank is taken as the research object in the paper. Based on the specified technical requirements， the composite sandwich structure of the ballast tank is designed. Through finite element calculation， multiple iterations of layering design and structural verification， the carbon fiber composite ballast tank with special sandwich structure incorporating inner ribs， partition plates， and foam was ultimately developed. This design reduces the weight by 40 % compared to an aluminum alloy structure. The 15 MPa external pressure test was carried out on the prepared ballast tank specimen. The test results indicate that the prepared composite material ballast tank exhibits no water seepage and structural damage under the operating conditions， thereby meeting usage requirements while achieving significant weight reduction. The designed composite material sandwich structure is proven to be safe and reliable， which provides a certain reference for the future design of underwater ballast tank.

Keywords：composites; ballast tank; finite element; sandwich structure; weight reduction

通訊作者：李思博，助理工程師。研究方向?yàn)閺?fù)合材料工藝研究。E-mail：liduoyu0605@163.com

1" 引言

海洋蘊(yùn)藏的豐富資源對國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要。隨著我國在深海進(jìn)入、深海探測和深海開發(fā)的進(jìn)一步深入，對深海探測關(guān)鍵技術(shù)裝備性能的要求也越來越高。耐壓艙是水下探測設(shè)備重要的組成部分，決定了探測設(shè)備作業(yè)深度、有效載荷和潛航里程［1，2］。傳統(tǒng)的水下探測設(shè)備耐壓艙體主要采用合金材料制造，重量大、有效容積小，已無法滿足長時(shí)續(xù)航能力的需求［3］。先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、重量輕、耐腐蝕和耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)［4，5］，是替代金屬材料制作深水長續(xù)航耐壓艙的理想材料。典型的復(fù)合材料和合金材料性能如表1所示。

從密度、力學(xué)性能和物理性能數(shù)據(jù)可以看出，采用碳纖維復(fù)合材料制造耐壓艙將是未來研究的重點(diǎn)方向。同時(shí)，由于復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性的特點(diǎn)，能夠通過設(shè)計(jì)充分發(fā)揮材料性能，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)性能，使得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在耐壓艙制造方面展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢［6-8］。目前復(fù)合材料耐壓艙結(jié)構(gòu)沒有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)階段只能依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核，多次迭代設(shè)計(jì)校核后，制作產(chǎn)品試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。為此，圍繞海洋戰(zhàn)略裝備需求，本文對水下深度1000 m使用的筒型耐壓艙進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制作試件并進(jìn)行耐壓試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，試圖找到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠、輕質(zhì)高效圓筒型耐壓艙的設(shè)計(jì)方法，為未來水下耐壓艙體的設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。

2" 設(shè)計(jì)基本參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1" 設(shè)計(jì)材料參數(shù)

本文設(shè)計(jì)水下深度1000 m使用的筒型耐壓艙結(jié)構(gòu)，技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

復(fù)合材料耐壓艙選用密度小、剛度強(qiáng)度高、抗震性、耐海水腐蝕性好和抗疲勞性能優(yōu)異碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂材料［9-11］，該材料經(jīng)過了4個(gè)月海水浸泡試驗(yàn)，性能指標(biāo)如表3所示。

考慮夾層在結(jié)構(gòu)中對強(qiáng)度和剛度作用貢獻(xiàn)較小，只對復(fù)合材料內(nèi)筋起穩(wěn)定作用，因此選取夾層泡沫的密度小、不易吸水，在潮濕或者水下環(huán)境中也能保持性能穩(wěn)定、耐腐蝕性好、價(jià)格適中的PVC泡沫［12，13］。夾層具有良好的機(jī)械性能，能夠承受一定的壓力和沖擊力，確保在結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定性。本結(jié)構(gòu)采用的PVC泡沫為國產(chǎn)交聯(lián)PVC泡沫，密度為80 kg/cm3?；緟?shù)如表4所示。

2.2" 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)特性在很大程度上受材料性能和成型工藝的影響，因此結(jié)構(gòu)的選擇要與材料設(shè)計(jì)及成型工藝設(shè)計(jì)等綜合考慮。直徑較大的耐壓艙如果設(shè)計(jì)成單層結(jié)構(gòu)，為保證結(jié)構(gòu)在外壓下的穩(wěn)定性，考慮單純的厚筒壁或薄筒壁加內(nèi)環(huán)筋的結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示；對于重量要求苛刻的產(chǎn)品，筒壁厚度t較大的結(jié)構(gòu)顯然不合適；薄筒壁加內(nèi)環(huán)筋的結(jié)構(gòu)形式具有突出的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和高的結(jié)構(gòu)效率，可以充分發(fā)揮復(fù)合材料各向異性、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，大幅提高殼體的承載能力，較大程度地節(jié)省結(jié)構(gòu)質(zhì)量。但對于內(nèi)環(huán)筋寬b高d比小于1/3的結(jié)構(gòu)，雖然減重效果顯著，但細(xì)高的內(nèi)環(huán)筋本身又容易失穩(wěn)，工藝成型難度也較大。為解決這種矛盾，設(shè)計(jì)了特殊夾芯“三明治”結(jié)構(gòu)。

特殊夾芯“三明治”結(jié)構(gòu)分為外結(jié)構(gòu)層、內(nèi)環(huán)筋（1/6lt;b/dlt;1/3）和泡沫組成的夾芯層、內(nèi)蒙皮，對于重量苛刻要求內(nèi)環(huán)筋b/dlt;1/6的結(jié)構(gòu)，中間設(shè)計(jì)隔層板。這樣高環(huán)筋增加結(jié)構(gòu)剛度，低密度的泡沫和較窄的環(huán)筋降低了重量，泡沫、隔層板和內(nèi)蒙皮合理分布載荷，共同保障結(jié)構(gòu)層、內(nèi)環(huán)筋和總體的穩(wěn)定性。這種結(jié)構(gòu)中泡沫即是結(jié)構(gòu)中組成部分，又使內(nèi)環(huán)筋成型工藝上更容易實(shí)現(xiàn)。帶隔層板的夾芯“三明治”結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本文設(shè)計(jì)了水下深度1000 m夾層結(jié)構(gòu)耐壓艙結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)部填充輕質(zhì)PVC泡沫，通過有限元計(jì)算、結(jié)構(gòu)和鋪層多次迭代設(shè)計(jì)，最后確定外結(jié)構(gòu)層t=10 mm厚，6b＜d的環(huán)筋，隔層板t=1.5 mm、內(nèi)蒙皮t=2 mm的碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。較同等載荷下的鋁合金結(jié)構(gòu)減重40 %。

2.3" 結(jié)構(gòu)校核

2.3.1" 分析模型的建立

對設(shè)計(jì)的碳纖維復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)艙體進(jìn)行有限元分析，為模擬真實(shí)的外壓載荷，建立模型時(shí)兩端采用金屬法蘭和橢球封頭。模擬復(fù)合材料薄壁筒型艙體在15 MPa外壓下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。在艙體后端框封頭取圓心小部分節(jié)點(diǎn)約束X、Y、Z位移，模型整體外表面加載15 MPa。有限元網(wǎng)格劃分如圖3所示，外壓載荷示意圖如圖4所示。

2.3.2" 分析結(jié)果

15 MPa外壓下薄壁筒型艙體軸向位移圖和環(huán)向位移圖如圖5和圖6所示。在外壓狀態(tài)下，艙體環(huán)向變形最大0.04 mm，軸向變形最大7.48 mm。纖維應(yīng)力分布如圖7和圖8所示，外壓狀態(tài)下，整個(gè)薄壁長筒型艙體處于受壓狀態(tài)，其中縱向最大壓應(yīng)力為421.2 MPa，小于纖維縱向壓縮強(qiáng)度900 MPa，表明艙體外壓狀態(tài)下強(qiáng)度安全裕度較大；水下外壓艙體的屈曲如圖9所示，屈曲系數(shù)為1.32。通過仿真結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的薄壁筒型復(fù)合材料外壓艙結(jié)構(gòu)合理，能夠保證在15 MPa下結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞。

3" 試件制作及試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的碳纖維復(fù)合材料耐壓艙夾層結(jié)構(gòu)，制作復(fù)合材料筒段進(jìn)行外壓測試。

3.1" 試件制作

依據(jù)計(jì)算結(jié)果采用濕法纖維纏繞工藝制作復(fù)合材料筒段試驗(yàn)件，比鋁合金材料設(shè)計(jì)減重40 %。試驗(yàn)件為了滿足測試要求，兩端安裝與復(fù)合材料安全系數(shù)相匹配的鋼制法蘭和橢球型封頭，保證整個(gè)結(jié)構(gòu)能夠在外壓下密封。復(fù)合材料筒段試件如圖10所示。

3.2" 試驗(yàn)驗(yàn)證

對設(shè)計(jì)的復(fù)合材料筒段試驗(yàn)件參照GB/T40073-2021金屬耐壓殼外壓強(qiáng)度測試方法進(jìn)行了外壓測試。外壓試驗(yàn)設(shè)備內(nèi)部直徑0.8 m，長3 m，最大試驗(yàn)壓力60 MPa，滿足試驗(yàn)要求。

試驗(yàn)時(shí)向外壓罐內(nèi)注水，待排氣孔有水溢出時(shí)，停止注水，啟動加壓系統(tǒng)，對外壓罐進(jìn)行加壓。當(dāng)壓力在4～10 MPa范圍時(shí)，每增加2 MPa，保壓2 min；當(dāng)壓力超過12.5 MPa時(shí)，每增加一個(gè)梯度保壓5 min，同時(shí)觀察壓力表是否有壓降產(chǎn)生。當(dāng)產(chǎn)生壓降后，立即停止加壓，觀察一段時(shí)間后進(jìn)行卸壓。卸壓后產(chǎn)品內(nèi)表面如圖11所示，外觀如圖12所示。

3.3" 試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)壓力達(dá)到15 MPa時(shí)，保壓5 min過程中，艙體未發(fā)生損傷破壞，未出現(xiàn)滲水掉壓現(xiàn)象。繼續(xù)升壓至16 MPa穩(wěn)壓1 min后，壓力驟降至7 MPa，壓力測試曲線如圖13所示。穩(wěn)壓一段時(shí)間后，對艙體進(jìn)行卸壓，卸壓后發(fā)現(xiàn)艙體金屬封頭出現(xiàn)變形，拆掉封頭檢查艙體內(nèi)、外表面，發(fā)現(xiàn)均無破損痕跡，艙體內(nèi)部變色紙顏色未發(fā)生變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，封頭產(chǎn)生較大塑性變形導(dǎo)致壓力驟降，夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料耐壓艙在15 MPa外壓下未出現(xiàn)滲水和結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象，能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

4" 結(jié)語

本文以水下1000 m耐壓艙為研究基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了薄壁筒型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，經(jīng)計(jì)算、制備試件試驗(yàn)，結(jié)論如下：

（1）碳纖維復(fù)合材料薄壁筒型三明治結(jié)構(gòu)耐壓艙較鋁合金結(jié)構(gòu)減重40 %；

（2）采用有限元分析對艙體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析，強(qiáng)度系數(shù)安全裕度較大，設(shè)計(jì)首先滿足失穩(wěn)要求，試件耐壓試驗(yàn)證明結(jié)構(gòu)安全可靠。

（3）薄壁筒型復(fù)合材料三明治結(jié)構(gòu)對重量要求苛刻的外壓艙設(shè)計(jì)具有參考意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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