CN110217336B - 大深度潜水器耐压结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大深度潜水器耐压结构，其为组合结构形式；其包括内壳、外壳、左法兰和右法兰；内壳为主承力结构，内壳在左法兰和右法兰的基础上缠绕而成，外壳为钛合金板卷制并通过纵焊缝焊接而成，并与内壳环肋紧密贴合，外壳再通过两端的环焊缝与左法兰和右法兰连接而成；内壳由采用圆筒加外环肋结构形式，外环肋等间距分布，具体间距根据承受外压时耐压结构最小应力准则进行优化配置；内壳与外壳采用对接环焊缝连接而成，焊缝只承受拉力和压力，受力形式简单。本发明为潜水器提供一种水下耐压能力高、耐压稳定性好、耐压受力均匀、重量轻、比强度高、耐冲击性能好、耐海水腐蚀持续时间长、使用寿命长、无磁性、隐蔽性好的大深度耐压结构。
Description
技术领域
本发明涉及潜水器领域，尤其是一种大深度潜水器耐压结构。
背景技术
圆柱耐压结构，包括等壁厚的圆柱耐压结构、带环筋的圆柱耐压结构，由于其具有重量轻和优异的力学性能等特点，因此在过去几十年里被广泛地应用在航空、航天、航海及车辆工程等各个领域。在潜水器的耐压料耐压结构中，圆柱耐压结构扮演了主要的角色，应用在各型鱼雷、潜艇、无人水下航行器(UUV)、水下自主式无缆机器人(AUV)以及各种水下运载器等各种产品。
钛合金强度高、耐腐蚀性好、耐热性高等特点被广泛地应用在各个领域。但是由于其密度比铝合金高得多，因此在对重量控制很严格的航空、航天以及水下产品等领域中其应用得到了限制。如何设计既能发挥其比强度高、耐腐蚀性好优点，又能有效地减轻整个架构重量将是一个重要的研究课题。碳纤维是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。其强度高于钢铁并且具有耐腐蚀性和高模量的特性，因此在国防军工和民用方面都是重要的材料。碳纤维具有很多优良的性能，轴向强度和模量高，密度低、比性能高、电磁屏蔽高等。如何结合钛合金和碳纤维复合材料进行结构设计，达到既能有效减重、又能大幅度提供产品的性能是一个重要的研究方向。
当前大部分小直径的潜水器采用铝合金材料，一般而言采用单层圆柱加环肋的耐压结构最多。但是随着人类不断向深海探索，航行体使用深度不断增加，单层环肋圆柱耐压结构的劣势逐渐显现，特别是使用深度增加，耐压结构的强度和稳定性都受到了结构和材料极限的考验，特别是深水耐压的稳定性。由于环肋的存在，承受外压时难免在环肋附近出现应力集中，因而大部分区域并未达到材料的屈服强度而导致耐压结构强度破坏。因此需要新的结构形式来更加充分发挥材料的优势，使得耐压结构的重量/排水量与单层圆柱环肋耐压结构一致的情况下，能承受更高的外压力、应力分布更均匀、具有更好的耐压稳定性。随着使用深度的增加，耐压结构承受外压越来越大，铝合金已经不能满足深海探索的需要，因此继续开发密度与其相当，比强度和比模量比之高得多的材料势在必行。但是如果能利用现有的材料进行组合，采用新型的结构形式，是否也能达到上述的要求也是一个非常值得探索的方向。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种大深度潜水器耐压结构，其包括内壳、外壳、左法兰和右法兰；所述的耐压结构为组合结构形式；所述的耐压结构内壳采用碳纤维复合材料，左法兰、右法兰采用TC4钛合金材料，外壳采用TA17钛合金材料。所述的耐压结构内壳为碳纤维复合材料，作为该结构的主要承力结构，充分利用碳纤维比强度高和比模量高的特点；所述耐压结构的左法兰、右法兰和外壳采用钛合金材料，充分利用钛合金的耐海水腐蚀性和高比强度的特点；所述的外壳采用TA17钛合金材料，充分利用了其优良的延展性和焊接性能，焊接后有利于降低焊缝周围的残余应力。所述的耐压结构平均密度为(2800±50)Kg/m3,比铝合金略大；所述的耐压结构比同尺寸、同重量单层圆柱环肋铝合金壳体承受外水压能力成倍增长，该壳体可以承受超过1500m的外水压；所述的耐压结构具有超强的耐海水腐蚀的能力，在海水中长期服役，不需要防护；所述的耐压结构具有耐外压高、耐外压稳定性好、耐外压时壳体应力分布均匀且无应力集中的特点。所述的耐压结构具有优良的隔振性能和高抗冲击性能的特点。所述的耐压结构内壳体在左法兰和右法兰的基础上缠绕而成，外壳为钛合金板卷制并通过纵焊缝焊接而成，并与内壳环肋紧密贴合，为(0.05～0.1)mm的过盈配合。外壳再通过两端的环焊缝与左法兰和右法兰连接而成；所述的耐压结构所有焊缝都采用真空电子束焊接；所述的耐压结构碳纤维内壳在左法兰、右法兰的基础上缠绕而成，具有更强的整体刚度和强度。所述的内壳由为圆筒以及外环肋结构形式，采用碳纤维缠绕，内壳环肋等间距分布，具体间距根据承受外压时耐压结构最小应力准则进行优化配置；所述的耐压结构的内壳与外壳采用对接环焊缝连接而成，焊缝只承受拉力和压力，受力形式简单。
本发明旨在为潜水器提供一种水下耐压能力高、耐压稳定性好、耐压受力均匀、重量轻、比强度高、耐冲击性能好、耐海水腐蚀持续时间长、使用寿命长、无磁性、隐蔽性好的大深度耐压结构，并且能够适用于各种潜水器。本发明结构简单、工艺性好、比强度高、耐冲击性、重量轻、耐外压能力强、无磁性、隐蔽性好、耐压时壳体应力分布均匀，能充分发挥所选材料性能极限的且水下耐压稳定性更好，更适合大深度使用的耐压结构，为各种深水用潜水器提供搭载平台。
一种大深度潜水器耐压结构，该耐压结构为组合结构形式，其包括内壳、外壳、左法兰和右法兰；所述内壳的外表面设置有环肋，所述环肋与所述外壳的内壁接触，所述耐压结构的所述内壳在所述左法兰和所述右法兰的基础上缠绕而成，所述外壳为钛合金板卷制并通过纵焊缝焊接，所述外壳与所述内壳的所述环肋紧密贴合，所述外壳再通过环焊缝与所述左法兰和所述右法兰分别进行连接。
优选地，所述内壳采用碳纤维复合材料，所述左法兰和所述右法兰均采用TC4钛合金，所述外壳采用TA17钛合金材料，所述内壳为主承力结构，所述外壳的加工性能、焊接性能及延伸率优于各法兰的加工性能、焊接性能及延伸率。
优选地，所述内壳与所述左法兰的缠绕结合部位以及所述内壳与所述右法兰的缠绕结合部位为波浪形状，以确保所述内壳与所述左法兰之间以及所述内壳与所述右法兰之间具有更好的结合力，保证内壳与所述左法兰和所述右法兰具有足够的整体性。
优选地，所述耐压结构的所有焊缝都采用真空电子束焊接。
优选地，在所述内壳的第一表面的第一端设置有第一阶梯型结构，内壳的第一表面的第二端设置有第二阶梯型结构；左法兰上设置有第三阶梯型结构，所述右法兰上设置有第四阶梯型结构；所述第一阶梯型结构与第三阶梯型结构接触，所述第二阶梯型结构与第四阶梯型结构接触。
优选地，所述第一阶梯型结构的表面以及第三阶梯型结构的表面设置为波浪形结构，所述第一阶梯型结构表面的波浪形结构所述与第三阶梯型结构的表面的波浪形结构匹配，用于增加所述内壳与所述左法兰的结合力；所述第二阶梯型结构的表面、第四阶梯型结构的表面设置为波浪形结构，所述第二阶梯型结构表面的波浪形结构与所述第四阶梯型结构的表面的波浪形结构匹配，用于增加所述内壳与所述右法兰的结合力。
优选地，所述内壳环肋等间距分布，具体间距根据承受外压时耐压结构最小应力准则进行优化配置。
优选地，所述耐压结构的外壳内壁与内壳环肋外壁紧密贴合后，采用直径与外壳外壁直径相同的夹具进行夹紧，夹紧后通过对外壳所形成的纵焊缝进行焊接，焊接后通过焊缝收缩使得所述外壳的内壁与所述内壳环肋的外壁紧密贴合，在未承受外压时，所述外壳的内壁与所述环肋的接触部位存在向壳体外部方向的预压应力，当所述耐压结构承受均匀外水压时，环肋处外壳的内壁的预压应力与外水压部分抵消，从而降低了该处环肋根部外壳内壁的应力集中。
优选地，临近环焊缝的内壳壁厚增加，利于增加结构整体的强度和刚度，保证环焊缝位置在承受外压时承受较小的应力。
优选地，所述耐压结构的环肋与内壳外壁连接处设置有倒角，以降低了该处的应力集中。
上述方案中，所述的耐压结构碳纤维内壳在左法兰、右法兰的基础上缠绕而成，具有很强的整体刚度和强度。
上述方案中，所述的内壳由为圆筒以及外环肋结构形式，采用碳纤维缠绕，内壳环肋等间距分布，具体间距根据承受外压时料耐压结构最小应力准则进行优化配置。
上述方案中，所述耐压结构的内壳与外壳采用对接环焊缝连接而成，环焊缝背面的小空腔结构保证对接焊接的结构形式，也有利于环焊缝的背部成型。
由于采取了以上设计，本发明具有以下优点：
1、本发明所述的耐压结构平均密度为(2800±50)Kg/m3,比铝合金略大，但是比同尺寸单层圆柱环肋铝合金壳体承受外水压能力成倍增长，该壳体可以承受超过1500m的外水压；
2、本发明所述的耐压结构具有超强的耐海水腐蚀的能力、无磁性、隐蔽性好，在海水中长期服役，不需要防护；
3、本发明所述的耐压结构巧妙地应用现有材料从设计上解决了既能有效减重，又能大幅提高其水下使用深度的问题；
4、本发明涉及的接环焊缝采用真空电子束焊接，能解决钛合金难熔和易于氧化的问题；
5、本发明结构简单、工艺性好；
6、本发明涉及的对接环焊缝只受拉力和压力，受力形式简单；
7、本发明在承受外压时，由于内、外壳的应力分部均匀，因此能充分发挥材料的性能，做到材料利用最大化；
8、本发明所述外壳内壁与环肋外壁存在的过盈配合促使该处存在预压应力；
9、本发明在承受外压时，外壳内壁的预压力的存在降低了环肋在该处的应力集中；
10、本发明具有优良的隔振性能和防冲击性能。
附图说明
图1是根据本发明的大深度潜水器耐压结构的半剖结构示意图；以及
图2是根据本发明的大深度潜水器耐压结构的半剖结构局部放大示意图。
图中，1是左法兰，2是内壳，3是外壳，4是右法兰。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步的描述。
如图1和图2所示，本发明的大深度潜水器耐压结构，其包括左法兰1、内壳2、外壳3以及右法兰4。
根据本发明的大深度潜水器耐压结构为组合结构形式，内壳2在左法兰1和右法兰4的基础上缠绕而成。
优选地，内壳2为碳纤维复合材料制成。
外壳3为钛合金板卷制并通过纵焊缝焊接，焊接后的外壳3收缩力使得其内壁与内壳2环肋紧密贴合，外壳3再通过两侧的环焊缝与左法兰1和右法兰4连接而成，其中，所有焊缝采用真空电子束焊接方法焊接。
内壳2与左法兰1、右法兰4缠绕结合部位为波浪形状，以确保内壳2与左法兰1和右法兰4具有更好的结合力，保证内壳2与左法兰1和右法兰2具有足够的整体性，具有足够的强度和刚度。如图2所示，在内壳的第一表面的第一端设置有第一阶梯型结构，内壳的第一表面的第二端设置有第二阶梯型结构；
左法兰上设置有第三阶梯型结构，右法兰上设置有第四阶梯型结构。
第一阶梯型结构与第三阶梯型结构接触，第二阶梯型结构与第四阶梯型结构接触。
优选地，第一阶梯型结构的表面、第三阶梯型结构的表面设置为波浪形结构，第一阶梯型结构表面的波浪形结构与第三阶梯型结构的表面的波浪形结构匹配，用于增加内壳2与左法兰1的结合力。
优选地，第二阶梯型结构的表面、第四阶梯型结构的表面设置为波浪形结构，第二阶梯型结构表面的波浪形结构与第四阶梯型结构的表面的波浪形结构匹配，用于增加内壳与右法兰的结合力。
优选地，外壳的长度大于内壳的长度。
外壳、内壳的第二表面的环肋中最左侧的环肋以及内壳和左法兰之间形成第一槽，以便于左法兰与外壳之间的焊接。
优选地，外壳、内壳的第二表面的环肋中最右侧的环肋以及内壳和右法兰之间形成第二槽，以便于右法兰与外壳之间的焊接。
内壳2临近环焊缝的壁厚逐步增加，利于增加结构整体的强度和刚度，确保环焊缝位置在承受外压时承受较小的应力。
内壳2的环肋采用均匀布置，其间距相同，间距大小根据耐压时承受最小应力准则进行优化布置。
优选地，外壳、左法兰、右法兰及垫板采用TC4钛合金材料，其中左法兰和右法兰均采用TC4钛合金，外壳采用TA17钛合金材料，TA17钛合金比TC4钛合金具有更好的加工性能和焊接性能。内壳作为主要承力结构，充分发挥了碳纤维复合材料的高强度的特点。外壳和法兰采用钛合金，充分发挥了其耐海水腐蚀性的优点和良好的密封性能。也解决了碳纤维复合材料作为耐压外壳承受外水压时密封性不佳的问题。内壳通过缠绕在两段法兰的波浪阶梯结构上，成型工艺简单，同时增强了法兰和内壳的整体刚度和强度。
优选地，耐压结构的左法兰、右法兰与外壳采用对接环焊缝连接后，由于外壳采用TA17钛合金具有良好的延展性，更有利于焊缝处的残余应力释放，降低焊缝周围的残余应力并且，对接环焊缝只受拉力和压力，受力形式简单。
优选地，外壳内壁与环肋外壁存在的过盈配合促使该处存在预压应力。也就是说，外壳内壁与内壳环肋外壁紧密贴合，采用直径与外壳外壁直径一致的夹具进行加紧，然后焊接纵焊缝，焊接后焊缝收缩，使得外壳内壁与内壳环肋外壁紧密贴合，在没有承受外压时，外壳内壁与环肋接触部位存在向壳体外部方向的预压应力。优选地，耐压结构，当壳体承受均匀外水压时，环肋处外壳内壁的存在的预压应力抵消了一部分外水压，因此该处的应力比没有预压应力的情况要小，有效地降低了该处环肋根部外壳内壁的应力集中。
优选地，采用钛合金与碳纤维复合材料相结合，平均密度约为(2800±50)Kg/m3,比铝合金略大，比同尺寸、同重量、相同重量或排水量的同单层圆柱环肋铝合金壳体承受外水压能力成倍增长，该壳体能够承受超过1500m的外水压；
优选地，耐压结构内壳为碳纤维复合材料，作为该结构的主承力结构，充分利用碳纤维比强度高和比模量的特点。
优选地，左法兰、右法兰和外壳采用钛合金，充分利用其耐海水腐蚀性和高比强度的特点。
优选地，根据本发明的大深度潜水器耐压结构，无磁性、隐蔽性好、耐海水能力强，能在海水中长期服役，不需要防护。
优选地，根据本发明的大深度潜水器钛合金与碳纤维复合材料耐压结构，具有耐外压高、耐外压稳定性好、耐外压时料耐压结构应力分布均匀且无应力集中的特点。耐压结构具有超强的耐海水腐蚀的能力。
优选地，本发明的大深度潜水器耐压结构，耐压结构内壳体在左法兰和右法兰的基础上缠绕而成，外壳为钛合金板卷制并通过纵焊缝焊接，并与内壳环肋紧密贴合，优选地，为(0.05～0.1)mm的过盈配合。外壳再通过环焊缝与左法兰和右法兰连接而成。
优选地，根据大深度潜水器耐压结构，耐压结构所有焊缝都采用真空电子束焊接。
优选地，内壳在左法兰、右法兰的基础上缠绕而成，具有更强的整体刚度和强度。
优选地，内壳与左法兰、右法兰缠绕结合部位为波浪形状，能确保更好的结合力。
优选地，内壳由为圆筒以及外环肋结构形式，采用碳纤维缠绕，内壳环肋等间距分布，具体间距根据承受外压时耐压结构最小应力准则进行优化配置。
优选地，外壳内壁与内壳环肋外壁紧密贴合，为过盈配合。
优选地，临近环焊缝的内壳壁厚增加，利于增加结构整体的强度和刚度，保证环焊缝位置在承受外压时承受较小的应力。
优选地，耐压结构的左法兰、右法兰与外壳采用对接环焊缝连接而成，对接环焊缝只受拉力和压力，受力形式简单。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种大深度潜水器耐压结构，其特征在于，该耐压结构为组合结构形式，其包括内壳、外壳、左法兰和右法兰；所述内壳的外表面设置有环肋，所述环肋与所述外壳的内壁接触，所述耐压结构的所述内壳在所述左法兰和所述右法兰的基础上缠绕而成，所述外壳为钛合金板卷制并通过纵焊缝焊接，所述外壳与所述内壳的所述环肋紧密贴合，所述外壳再通过环焊缝与所述左法兰和所述右法兰分别进行连接；所述耐压结构的外壳内壁与环肋外壁紧密贴合后，采用直径与外壳外壁直径相同的夹具进行夹紧，夹紧后通过对外壳所形成的纵焊缝进行焊接，焊接后通过焊缝收缩使得所述外壳的内壁与所述环肋的外壁紧密贴合，在未承受外压时，所述外壳的内壁与所述环肋的接触部位存在向壳体外部方向的预压应力，当所述耐压结构承受均匀外水压时，环肋处外壳的内壁的预压应力与外水压部分抵消，从而降低了该处环肋根部外壳内壁的应力集中。
2.如权利要求1所述的大深度潜水器耐压结构，其特征在于，所述内壳采用碳纤维复合材料，所述左法兰和所述右法兰均采用TC4钛合金，所述外壳采用TA17钛合金材料，所述内壳为主承力结构，所述外壳的加工性能、焊接性能及延伸率优于各法兰的加工性能、焊接性能及延伸率。
3.如权利要求2所述的大深度潜水器耐压结构，其特征在于，所述内壳与所述左法兰的缠绕结合部位以及所述内壳与所述右法兰的缠绕结合部位为波浪形状，以确保所述内壳与所述左法兰之间以及所述内壳与所述右法兰之间具有更好的结合力，保证内壳与所述左法兰和所述右法兰具有足够的整体性。
4.如权利要求3所述的大深度潜水器耐压结构，其特征在于，所述耐压结构的所有焊缝都采用真空电子束焊接。
5.如权利要求4所述的大深度潜水器耐压结构，其特征在于，在所述内壳的第一表面的第一端设置有第一阶梯型结构，内壳的第一表面的第二端设置有第二阶梯型结构；左法兰上设置有第三阶梯型结构，所述右法兰上设置有第四阶梯型结构；所述第一阶梯型结构与第三阶梯型结构接触，所述第二阶梯型结构与第四阶梯型结构接触。
6.如权利要求5所述的大深度潜水器耐压结构，其特征在于，所述第一阶梯型结构的表面以及第三阶梯型结构的表面设置为波浪形结构，所述第一阶梯型结构表面的波浪形结构所述与第三阶梯型结构的表面的波浪形结构匹配，用于增加所述内壳与所述左法兰的结合力；所述第二阶梯型结构的表面、第四阶梯型结构的表面设置为波浪形结构，所述第二阶梯型结构表面的波浪形结构与所述第四阶梯型结构的表面的波浪形结构匹配，用于增加所述内壳与所述右法兰的结合力。
7.如权利要求1所述的大深度潜水器耐压结构，其特征在于，所述环肋等间距分布，具体间距根据承受外压时耐压结构最小应力准则进行优化配置。
8.如权利要求1所述的大深度潜水器耐压结构，其特征在于，临近环焊缝的内壳壁厚增加，利于增加结构整体的强度和刚度，保证环焊缝位置在承受外压时承受较小的应力。
9.如权利要求1所述的大深度潜水器耐压结构，其特征在于，所述耐压结构的环肋与内壳外壁连接处设置有倒角，以降低了该处的应力集中。
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