基于结构复合材料的水下耐压壳体应用_曾军财

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1、第６期（总第１６９期）机械工程与自动化Ｎｏ．６２０１１年１２月ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ＆ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＤｅｃ．文章编号：１６７２－６４１３（２０１１）０６－００９５－０３基于结构复合材料的水下耐压壳体应用曾军财，高频，杨江涛（宜昌测试技术研究所，湖北宜昌４４３００３）摘要：简要说明了水下耐压壳体的使用环境和主要功能，重点介绍了工程实际中通常采用的结构复合材料的组成形式，并对复合材料弹性性能的并联和串联受力模型进行了初步分析和描述。用实例说明了水下探测设备耐压壳体的制造工艺，建立了壳体有限元模型，同时对其强度进行了分析与讨论。关键词：复合材料；纤维；强度；水下耐压

2、壳体中图分类号：ＴＢ３３文献标识码：Ａ０引言其中：σｃ、σｆ和σｍ分别为复合材料、纤维和基体的随着科学技术的迅速发展，广泛使用的各种传统正应力；Ｖｍ为基体的体积率。由此可得纵向模量的的金属及非金属材料已不能满足工程的需求，新技术混合率Ｅｃ为：和新工艺对工程材料的要求越来越高，因而新材料不Ｅｃ＝ＥｆＶｆ＋ＥｍＶｍ。………………………（２）断出现。目前结构复合材料在航空航天工业、汽车船而垂直于纤维方向的弹性模量为串联受力模型，舶以及军事装备等方面已发挥出其优良的机械和物理依据几何方程有：特性。在发达国家考量设备的先进程度，已将复合材Ｓｃ＝ＳｆＶｆ＋ＳｍＶｍ。………………………（３）料用量的

3、多少作为一项重要的指标。其中：Ｓｃ、Ｓｆ、Ｓｍ分别为复合材料、纤维和基体的１结构复合材料及特点柔度，Ｓｃ＝１／Ｅｃ，Ｓｆ＝１／Ｅｆ，Ｓｍ＝１／Ｅｍ。式（３）是复１．１结构复合材料构成合材料横向柔度的混合率，可表示为１／Ｅｃ＝Ｖｆ／Ｅｆ＋结构复合材料通常指的是机械性能优良且主要用Ｖｍ／Ｅｍ。显然顺纤维方向是复合材料的主要承力方于承力结构件的复合材料，工程上大多采用纤维增强向，纤维和基体所承受载荷比为：材料，并以纤维增强塑料（ＦＲＰ）为主体。材料在纤ＰｆＥｆ（１－Ｖｍ）＝。…………………………（４）维状时的强度比块状要高的多，在块状时其内部存有ＰｍＥｍＶｍ错位、点缺陷、晶界以及宏观缺陷，而

4、纤维状则因结其中：Ｐｆ和Ｐｍ分别为纤维和基体所承受的载荷。构尺寸微小，内部组织将会得到较大改善，缺陷大为式（４）表明纤维和基体的模量比越高，即使纤维的体下降，且此时晶体沿纤维轴定向排列。但纤维丝自身积率不大却能承受越大的载荷。只能承受较大拉应力，为提高纤维材料的承载能力，需１．２结构复合材料的特点用基体材料将增强纤维固结为一体，使其具有高比强度结构复合材料具有如下特点：和高比刚度。组成后的复合材料的力学性能是纤维体积（１）比强度和比刚度大：以７０５０铝合金为例，该率Ｖｆ、纤维弹性模量Ｅｆ、基体弹性模量Ｅｍ、纤维平均材料的比强度和比刚度分别约为碳－环氧（ＣＦＲＰ）的拉伸强度Ｘｆ、基体拉伸

5、强度Ｘｍ和基体粘接强度Ｓｍ的０．２５和０．２７。函数。当纤维与基体组成的复合材料受力时，其弹性性（２）疲劳与断裂性能好：金属的疲劳极限应力约能可用并联和串联受力模型进行估算。其中顺纤维方向为其静拉伸强度的３０％～５０％，而ＦＲＰ则约为７０％～的弹性模量是并联受力模型，其平衡方程为：８０％，同时金属裂纹的扩展速度快而ＦＲＰ则较慢。σｃ＝σｆＶｆ＋σｍＶｍ。…………………………（１）（３）设计及工艺性好：利用混合律可以估算单向收稿日期：２０１１－０７－１８作者简介：曾军财（１９８０－），男，江西赣州人，工程师，硕士，主要从事海洋环境水下监测设备研究。·９６·机械工程与自动化２０１１年第６期

6、复合材料的力学特性，通过选取不同的纤维与基体可兰的最大ｖｏｎＭｉｓｅｓ应力为２１５ＭＰａ，安全系数为１．７。制成不同性能的材料；利用层板理论合理设计，可获得结构所需的层板各向异性及耦合特性。基于复合材料的特性，可将其一次固化成型，利于制造复杂的构件。（４）设计分析复杂：由于复合材料是新型材料，缺乏足够的试验参数和可靠的质量控制方法，因而在设计过程中较难把握。２应用实例简介２．１材料特点某水下探测设备最大工作水深为２０００ｍ，长期在海水中工作，其水下工作状态为０ｍ～２０００ｍ范围内图２法兰的ｖｏｎＭｉｓｅｓ分布做上下往复运动。总体指标要求探测设备外壳具有耐（２）外层聚胺酯弹性体最大拉应力

7、为１３．６ＭＰａ。压、抗冲击、重量轻的特点。深海浮标壳体的结构示聚胺酯弹性体拉伸强度为４５ＭＰａ，安全系数为意图如图１所示。两端法兰采用６０６１－Ｔ６铝，法兰中２．９４，最大拉应力分布见图３。部有壁厚１５ｍｍ凸缘，以便与聚胺酯浇注成一体。为提高密封性能，凸缘上开两道槽沟。外壳内胆为碳纤维复合材料，由２层９０°方向（周向）和１层０°方向（轴向）单向板组成一组复合材料，共７组。每层单向板厚０．２ｍｍ，总厚４．２ｍｍ，长１０１０ｍｍ，略短于法兰间距。