碳纤维耐压舱在深海潜水器中的应用研究

高维瑾，郭宇琦，纪丹阳，车士俊

摘要在国家大举发展大潜深、高承载潜水器的背景下，为了解决深海潜水器对耐压结构关键部件轻量化、高强度、高疲劳强度的需求，本文通过对碳纤维复合材料进行优化选材，使得结构设计满足设计要求。采用ANSYS建立有限元模型，对耐压舱进行结构设计及强度、稳定性计算。并通过静压试验舱装置对耐压舱开展静水压力试验，验证其结构稳定性。在90 MPa外压作用下，耐压舱复合材料筒各应力分量最大值小于T700级碳纤维/环氧树脂材料设计值，端盖端环Mises应力小于TC4钛合金材料抗拉强度，耐压舱整体一阶屈曲系数1.81，均满足设计要求。研制碳纤维复合材料耐压结构，并通过静压试验舱装置对碳纤维耐压舱进行外压试验，在76.5 MPa压力环境下，耐压舱具有深海耐压生存能力。本文研制的碳纤维耐压舱满足深海使用技术要求，为深海潜水器重要组成部件提供了一种有效的解决途径。

关键词碳纤维；耐压舱；深海潜水器；外压测试；有限元分析

Research on Application of Fiber Ballast Tank in Deep-sea Submersible

GAO Weijin1， GUO Yuqi2， JI Danyang1， CHE Shijun1

（1.Harbin FRP Institute Co.，Ltd.，Harbin 150028；2.The Architectural Design and Research Institute of HIT Co.， Ltd.，Harbin 150001）

ABSTRACTUnder the background of large-scale development of deep diving and high bearing submersibles in China. In order to solve the deep-sea submersible pressure structure key components of light weight， high strength， high fatigue strength needs. In this paper， the material selection of carbon fiber composite is optimized to make the structural design meet the design requirements. The finite element model is established by ANSYS， and the structure design and strength and stability calculation of the pressure cylinder are made. The hydrostatic pressure test of the pressure cylinder was carried out by the static pressure experimental chamber device to complete the experimental verification. Under the effect of 90 MPa external pressure， the maximum stress component of the composite cylinder was less than the design value of T700 carbon fiber/epoxy resin material. The Mises stress of the end cap ring was less than the tensile strength of TC4 titanium alloy material， and the overall first-order buckling coefficient of the ballast tank was 1.81， which met the design requirements. The pressure structure of carbon fiber composite material is developed， and the external pressure test of carbon fiber ballast tank is carried out by static pressure experimental chamber device. Under the pressure environment of 76.5 MPa， the ballast tank has the survivability of deep sea pressure. The carbon fiber pressure resistant cabin developed in this article meets the technical requirements for deep-sea use. Provide an effective solution for important components of deep-sea submersibles.

KEYWORDScarbon fiber; ballast chamber; bathyscaphe; external pressure test; finite element analysis

1引言

深海潜水器主要由外部耐压结构和内部框架结构组成，其中耐压结构起到抵挡外部海水压力的作用，为深海潜水器内部仪器设备提供稳定的工作环境，是深海潜水器的核心部件［1］。目前深海潜水器耐压结构通常采用合金钢或者钛合金材料，但因材料密度较大，使得耐压结构重量占总重量比例较大，限制了深海潜水器承载重量。在如今国家大举发展大潜深、高承载的背景需求下，有必要对耐压结构进行轻量化设计，而碳纤维增强复合材料因其具有低密度、高强度、高模量、耐疲劳性、耐腐蚀性和可设计性等优异性能［2-5］，已广泛应用于载人潜水器、无人潜水器等设备的耐压结构之中［6-8］。深海潜水器组件间连接形式主要有卡环连接、法兰连接、负压连接三种。卡环连接：装配两侧组件径向装配面各加工半圆形或矩形环槽，通过金属分瓣卡环（小尺寸潜器可采用塑料带材）填充环槽进行轴向固定，轴向通过销钉进行定位。该方式多应用于船舶系统产品。由于轴向密封密封圈未压缩，组件间轴向存在间隙，卡环无法实现安装，卡环连接密封圈形式多采用径向密封形式。法兰连接：装配两侧组件设计加工连接法兰，组件间通过法兰进行连接。法兰连接可以均匀施加轴向载荷，可以采用轴向或径向密封。由于法兰形式占用空间较大，对潜器流体外形以及重量控制存在消极影响。负压连接：装配两侧组件不进行机械连接，多采用径向+轴向密封，通过径向密封插接口控制装配关系，装配后对潜器内部抽真空形成内部负压，保证连接强度。适用于小型ROV/AUV潜器。

在国家大举发展大潜深、高承载潜水器的背景下［9-12］，为了解决深海潜水器对耐压结构关键部件轻量化、高强度、高疲劳强度的需求，本文通过对碳纤维复合材料进行优化选材，使得结构设计满足设计要求，研制碳纤维复合材料耐压结构［13-18］，并通过静压试验舱装置对耐压舱进行外压试验，从而为深海潜水器重要组成部件提供了一种有效的解决途径。

2方案设计

本试验研究所选用的耐压舱由采用碳纤维制成的筒体和两端金属端环、前/后金属封头构成。碳纤维筒体采用T700级碳纤维缠绕成型的通长无环肋结构，碳纤维筒体外侧刷涂外防水涂层；耐压舱两端的金属端环采用TC4钛合金材质，与碳纤维筒体之间通过胶粘剂进行粘接，主要承担连接和密封功能；耐压舱前/后金属封头也采用TC4钛合金材质，上面配有不同尺寸规格的螺纹孔，起到外部天线连接作用。金属端环与前/后金属封头之间通过轴线方向螺纹孔采用法兰连接结构连接。耐压舱产品结构示意图如图1所示。

2.1设计要求

复合材料耐压舱长度910 mm，外径Φ356 mm，碳纤维筒体外有1 mm厚外防水涂层。

碳纤维筒体长度630 mm，外径Φ354 mm，内径Φ286 mm，壁厚34 mm。

最大工作深度6000 m，计算载荷按90 MPa，耐压舱测试压力为76.5 MPa保压2小时，62 MPa保压14小时。在外压试验下，结构强度不发生破坏，结构不发生失稳。

2.2复合材料密封

由于碳纤维/环氧树脂复合材料自身不具备密封性，在水下工作外部压力作用下，水分可以通过复合材料的微裂纹及空隙渗入耐压舱内部，影响耐压舱的正常使用，因此在碳纤维的端面、侧面需要进行隔离保护。

在碳纤维筒体的两端，采用钛合金端环进行密封保护，通过胶粘剂将端环和碳纤维筒体粘接在一起。在碳纤维筒体外柱面采用聚氨酯/聚脲类树脂进行密封，由内向外依次成型底漆、中间漆、面漆，各层之间具有高结合力，复合后的涂层的抗冲击、耐机械磨损、耐介质性能均非常良好。有机涂层对深海耐压结构体防护成本较低、施工方便、维修维护简单，是一种行之有效的防护方法，目前已经在复合材料潜水器上成功应用。

深海潜水器连接密封形式多采用O型密封圈密封，根据密封压力、构件连接装配形式等，确定O型密封圈尺寸规格及材质。密封沟槽形式多采用轴向密封（端面密封）以及径向密封（活塞杆密封），并根据密封可靠性要求采用双道密封形式（轴向+径向/轴向+轴向）。

2.3刚强度

碳纤维耐压舱具有足够的强度和刚度，能够承受吊装、运输等工况不出现破损、连接失效等问题。

舱体表面涂层应具有一定程度的防护功能，在正常使用过程中不出现渗漏、破损、界面脱粘开裂等情况，能够承受一定程度的磕碰、刮蹭不出现失效破坏等问题。

2.4疲劳强度

该碳纤维耐压舱应用到大深度潜航器中，需要来回承受0～6000 m的海水压力交变，在进行设计时应考虑碳纤维舱，碳纤维与钛合金结合处等的压力交变、温度交变等疲劳问题，其耐受交变次数大于2000次。

3有限元计算

应用ANSYS有限元模型对复合材料耐压舱及金属件进行建模。依据结构尺寸、载荷工况，分析整体结构在相关载荷条件下的力学行为，按技术要求对此结构进行验证与校核，计算结果供设计参考，有限元模型如图2所示。

3.1复合材料及金属选材

碳纤维筒体采用T700级碳纤维/环氧树脂复合材料，设计参考值如表1所示。而根据水下耐压舱的使用特性，金属端环与前/后金属封头选用与复合材料电化学腐蚀特性较友好的TC4钛合金材料，材料参数如表2所示。

3.2载荷及边界条件

边界条件约束：在前/后金属封头上施加两个分别限制X、Y方向的位移约束，在筒身中间施加一个限制Z方向（轴向）的位移约束。

载荷：耐压舱外表面施加90 MPa外压。

注：仿真模型中耐压舱轴线方向为Z轴。

3.3仿真计算结果

在90 MPa外压下，耐压舱组件变形云图及应力云图如图3～图6，变形及各部位应力如表3所示。

在90 MPa外压下，碳纤维筒体各应力分量最大值小于T700级碳纤维/环氧树脂材料设计值，金属封头和金属端环Mises应力小于TC4钛合金材料抗拉强度，满足设计要求。耐压舱整体一阶屈曲系数1.81，满足设计要求。

4试验验证

碳纤维耐压舱应用120 MPa静压试验舱装置进行外压试验。该装置采用自动化加压系统，自动控制试验过程，包括压力设定、保压时间设定、排气卸压时间设定和升压梯度的设定等。

复合材料耐压舱筒体及金属封头装配完成后，称重，将金属封头各连接接口用金属堵头封堵，进行静水压力试验。

4.1试验条件

（1）升压阶段：升压时采用逐级匀速升压，升压速率不大于1 MPa/min，升压到1 MPa、10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa、50 MPa、60 MPa、70 MPa、76.5 MPa分别保压3分钟；

（2）保压阶段：在76.5 MPa保压2小时；

（3）泄压阶段：保压2小时后，泄压至62 MPa，泄压速率不大于1 MPa/min；

（4）保压阶段：在62 MPa保压14小时；

（5）泄压阶段：泄压时采用逐级匀速卸压，在50 MPa保压1分钟，随后缓慢泄压至0 MPa，泄压速率不大于1 MPa/min。

4.2试验结果

用水压试验系统记录压力罐中压力值变化情况，并形成压力-时间曲线，如图8所示。试验结束后，将耐压舱从静压试验舱装置中取出，擦拭干净耐压舱外表面水渍，试验前后分别对耐压舱进行称重，产品外观完好无变形、无破坏、舱内无渗水痕迹、重量无变化，视作产品合格。经检验，泄压后耐压舱外压测试密封系统外观完好、无泄漏、耐压舱无增重。试验结果说明，在76.5 MPa压力环境下，耐压舱外压具有耐压生存能力。

5结语

耐压舱由碳纤维筒体、两端金属端环和前/后金属封头构成。碳纤维筒体采用T700级碳纤维/环氧树脂复合材料，采用无环肋结构，碳纤维筒体外侧喷涂外防水涂层；根据水下耐压舱的使用特性，耐压舱金属端环和前/后金属封头选用与复合材料电化学腐蚀特性较友好的TC4钛合金材料。通过有限元模拟计算和压力试验，得出如下结论：

（1）结构设计，碳纤维筒体两端金属端环与前/后金属封头之间通过轴线方向螺纹孔采用法兰连接结构连接。碳纤维筒体外部密封通常采用聚氨酯/聚脲弹性体树脂涂层，采用喷涂形式覆盖在筒体表面。研制的碳纤维耐压舱具有高刚强度、高疲劳强度和防水性能，满足使用要求。

（2）有限元分析表明，在90 MPa外压作用下，碳纤维耐压舱筒体各应力分量最大值小于T700级碳纤维/环氧树脂材料设计值，金属封头和金属端环Mises应力小于TC4钛合金材料抗拉强度，耐压舱整体一阶屈曲系数1.81，均满足设计要求。

（3）试验验证，研制碳纤维复合材料耐压结构，并通过静压试验舱装置对碳纤维耐压舱进行外压试验，泄压后耐压舱外压测试密封系统外观完好、无泄漏、耐压舱无增重，在76.5 MPa压力环境下，耐压舱具有深海耐压生存能力，满足设计要求。

参 考 文 献

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