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1、49卷第3期(总第182期)中国造船Vol.49No.3(SerialNo.182)2008年9月SHIPBUILDINGOFCHINASep.2008文章编号:1000-4882(2008)03-0087-011新型复合材料在深海载人潜水器上的应用赵俊海,侯德永,马利斌,沈泓萃(中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082)摘要论述了深海载人潜水器轻外壳的选材原则和标准、结构型式和成型工艺,并通过对新型复合材料轻外壳试制样品的试验研究,获得了较为完整的轻外壳物理性能参数和机械性能参数,这些性能参数将为深海水下机器人轻外壳结构的设计提供依据,并为编制我国大深度载人潜水器入级和建造规范奠定了基础
2、。关键词:船舶、舰船工程;新型复合材料;载人潜水器;轻外壳;正交异性;强度保留率;吸水率中图分类号:U663.94;U674.941文献标识码:A1引言近年来,随着科学技术的发展和对能源需求的不断提高,人类对海洋的认识和开发力度亦不断增加,并逐步向深海扩展。深海载人潜水器在海洋开发中具有无可比拟的优越性。由于深海载人潜水器的特殊地位和作用,美、法、日、俄等国早已开展了深海载人潜水器的研制工作。美国建造了“Alvin”4500m载人潜水器,法国建造了“Nautile”6000m载人潜水器,日本建造了“Shinkai6500”6500m载人潜水器,俄罗斯建造了“Consul”6000m载人潜水器
3、。目前,我国正在进行大深度载人潜水器的研制工作。载人潜水器结构中,除了能承受深水压力的耐压壳外,还有轻外壳。轻外壳除形成并保持潜水器的外形,以提高潜水器的水动力性能之外,还承担着保护潜水器内部设备的重要使命。当潜水器潜入水下时,轻外壳所包络的内部空间进水,与外部海水相连通,内、外压力平衡,故轻外壳结构内、外侧仅承受深海静水压力;但在水面时须要具有一定的抗冲击能力。轻外壳结构主要是由外部壳板和内部构架组成。外部壳板形成潜水器外形;内部构架为外部壳板提供支承,并固定在载体主框架上。上述大深度载人潜水器都无一例外地使用了各种复合材料作为潜水器轻外壳壳板。这是由于与其它材料相比,复合材料具有很多优异
4、的性能:无磁透波、轻质高强、成型方便、结构可设计等。众所周知,玻璃钢(FRP)是水下机器人常用的复合材料之一。在我国现有的潜水器规范[1]中,仅涉及耐压壳体的设计、材料、制造,而对潜水器轻外壳的结构设计、强度准则和加工建造要求均未提及。因此,本文以深海载人潜水器轻外壳的设计为工程背景,阐述了轻外壳的使用条件和技术要求,轻外壳材料选择原则、轻外壳产品的成型工艺,以及应用实例分析,并通过深海模拟压力筒保压试验,对其物理和机械性能进行试验验证。上述研究工作将为深海水下机器人(HOV,ROV,AUV)轻外壳结构的设计提供依据,并为编制我国大深度载人潜水器入级和建造规范奠定基础。收稿日期:2007-1
5、0-15;修改稿收稿日期:2008-02-25基金项目:国家863重大专项课题(K1430)88中国造船学术论文2轻外壳的使用条件和关键技术2.1轻外壳的使用条件环境温度为-2℃～50℃,介质为海水和海洋大气环境;海况等级:4级布放,5级回收;工作区域为太平洋7000m以内海区;使用寿命为10年。2.2关键技术要求根据轻外壳的使用条件,必须解决如下所述的几个关键技术:①质量要轻,比强度、比刚度要高;②能够承受潜水器布放和回收过程中的波浪冲击载荷;③布置和分块合理,便于安装、拆卸,维护方便;④成型工艺性好,产品变形量小;⑤耐腐蚀性。依据上述的关键技术,玻璃钢轻外壳板材机械强度应满足表1所列出的
6、性能指标。表1玻璃钢轻外壳板材机械强度指标试验项目试验方向标准状况湿态(71MPa;8h)拉伸强度/MPa0°或90°≥390.0≥340.0拉伸弹性模量/GPa0°或90°≥18.5≥17.0弯曲强度/MPa0°或90°≥390.0≥340.0弯曲弹性模量/GPa0°或90°≥18.5≥17.0压缩强度/MPa0°或90°≥245.0≥210.0层间剪切/MPa0°或90°≥30.0≥25.0-20°或90°冲击韧性/J·cm缺口方向与布层平行≥25.0-缺口方向与布层垂直≥10.0-泊松比0°或90°≥0.15-3船用玻璃钢材料的选择3.1船用玻璃钢材料选择的依据船用玻璃钢材料的选择既要
7、满足轻外壳的使用条件和关键技术要求,又要考虑我国船用玻璃钢和高性能复合材料的生产及应用情况。我国船用玻璃钢主要分为两类:一类是通用型,另一类是高强型。此外,我国还研制出碳纤维及碳纤维与高强玻璃纤维混杂增强的复合材料,超高分子量聚乙烯纤维与高强玻璃纤维混杂增强的复合材料等。3.2船用玻璃钢材料的选择原则和关键技术分析3.2.1船用玻璃钢材料的选择原则根据轻外壳使用条件和技术要求,在选择玻璃钢材料时应重点考虑以下
