CN112896413B - 一种开孔圆柱形复合材料耐压壳体的补强结构及密封方法 - Google Patents

一种开孔圆柱形复合材料耐压壳体的补强结构及密封方法 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种水下航行器开孔圆柱形复合材料耐压壳体的补强结构及密封方法，包括套管、球形封头和加强结构。复合材料壳体和加强结构通过胶接的方式粘接在一起。加强结构弧面上开有沟槽，套管上开有注胶口，可以使粘接剂能够与粘接面充分接触。本发明不仅可以保证开孔处的强度而且还能保证开口处的密封性能，尤其是这种开孔结构在受到静水外压时能够保证它的可靠性，可广泛用于承受静水压力的复合材料开孔结构的密封。

Description

一种开孔圆柱形复合材料耐压壳体的补强结构及密封方法
技术领域
本发明属于纤维复合材料技术领域，特别涉及一种开孔圆柱形复合材料耐压壳体的补强结构及密封方法。
背景技术
水下航行器的重量一直是制约航行器总体性能的重要指标之一。为了能够提高航行器的续航能力和搭载能力，在保证航行器安全性的前提下必须设法减轻航行器的重量。目前建造水下航行器的材料以钢、铝合金、钛合金为主。然而随着航行深度的增加，这些材料已经不能达到减轻航行器重量的目的。近年来随着复合材料的迅速发展以及其高比强度和高比模量的优点，使得复合材料在水下航行器耐压壳体的应用上显示出了极大的优越性。
但是，复合材料又存在一个很大的缺点：当它的纤维不连续时，其力学性能将大幅度降低，并且在纤维材料的不连续处结构很容易发生破坏。因在工作之前需要检查航行器气密性，另外为了航行器方便充电一般会在壳体上设计一个充电装置，所以航行器壳体上不可避免的需要开有通孔。如果将复合材料用于航行器的耐压壳体上，开孔就会导致复合材料纤维断裂，从而降低其力学性能，同时对开孔处的密封性也有很高的要求。
现有技术中，专利CN201910552022.1“一种开孔复合材料封头的密封结构及方法”给出了一种开孔复合材料封头的密封方法，该方法是针对带孔的球形\椭球形复合材料的封头而言的。根据该专利的描述可知，在对开孔复合材料封头进行密封时直接用一个带有密封圈的堵头将其插入孔中，然后再注入粘接剂将封头与堵头粘接在一起，即完成了对开孔复合材料封头的密封，整个密封过程也没有考虑开孔处结构的补强问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为了能够有效解决开孔之后耐压壳体的补强及密封问题，本发明涉及一种开孔圆柱形复合材料耐压壳体的补强结构及密封方法。
本发明的技术方案是：一种开孔圆柱形复合材料耐压壳体的补强结构及密封方法，包括套管、球形封头和加强结构；
所述加强结构整体为柱状体，外壁为二阶状，大径端端面为弧形，且该弧形的外径与壳体内径相同；大径端位于复合材料圆柱耐压壳体通孔内且端面与壳体内壁相互贴合，小径端伸出壳体外；大径端与壳体内壁贴合的端面上开有第二流通槽，小径端上开有外螺纹，侧壁上开有若干第一螺纹孔；其中侧壁上沿轴线均布开有若干第一流通槽，且第一流通槽轴线与小径端轴线相互平行；第一流通槽和第二流通槽相互贯通；所述管套整体为柱状体，外壁为二阶状，管套的大径端端面为弧形，且该弧形的内径与壳体外径相同；小径端侧壁上设有若干注胶孔和第二螺纹孔；
所述管套大径端套在加强结构小径端上后与壳体外壁面贴合，使得套管和加强结构对壳体形成夹紧力；套管小径端内壁与加强结构小径端外壁螺纹固连，此时第一流通槽和对应位置处的注胶孔相互重合；
所述球形封头与加强结构小径端进行螺纹连接，形成轴向密封。
本发明进一步的技术方案是：所述注胶孔沿管套小径段环向均布，且注胶孔为非径向开槽，轴线与管套轴线成60°角，便于灌胶。
本发明进一步的技术方案是：所述注胶槽数量与第一流通槽数量相同，并且当加强结构和套管安装在壳体上之后，注胶槽和第一流通槽应相互对齐，以便胶粘剂能够顺利流到粘接面的任意位置。
本发明进一步的技术方案是：所述第二流通槽为闭合的方形体槽。
本发明进一步的技术方案是：所述套管采用金属材料制成。
本发明进一步的技术方案是：所述加强结构采用金属材料制成。
本发明进一步的技术方案是：所述加强结构小径段的端面上开有一密封槽，用于放置密封圈。
本发明进一步的技术方案是：一种开孔圆柱形复合材料耐压壳体的补强结构及密封方法，包括以下步骤：
步骤1：将加强结构小径端从壳体上的通孔穿出，使加强结构大径端的弧面与壳体内壁贴合，套管与加强结构同轴且套管的大径端面与壳体外壁贴合，然后通过螺钉将加强结构与套管连接在一起；
步骤2：向注胶孔内灌胶，胶孔内的胶依次流入第一流通槽和第二流通槽，等待加强结构大径端的弧面与壳体内壁面完全粘合；
步骤3：将密封圈放置在加强结构圆柱端面的密封槽内；
步骤4：将球形封头与加强结构通过螺纹连接压缩密封圈，进而达到轴向密封的效果。
发明效果
本发明的技术效果在于：
(1)通过胶接的方式，解决了圆柱形复合材料耐压壳体在开孔处的密封问题，本发明简单易操作。
(2)将加强结构与套管通过螺钉固定在一起可以避免出现以下问题：1)在进行注胶时加强结构不会发生运动，能保证胶接面密封的可靠性。2)加强结构与套管弧面与壳体相贴合并且给壳体一个夹紧力，能够增强壳体结构在开孔处的承载能力，有效避免其在承受静水压力之后开孔处出现纤维分层等破坏现象。3)在安装球形封头时，不会因为操作不当而导致粘接面脱落。
(3)与专利“一种开孔复合材料封头的密封结构及方法”相比，所述结构不仅解决了开孔壳体的加强和密封问题，还不会影响上述航行器的其他功能性要求。
附图说明
图1为该结构的剖视图
图2为该结构的总体结构图
图3为加强结构示意图
图4为球形封头示意图
图5为管套的示意图
附图标记说明：1-复合材料壳体；2-套管；3-球形封头；4-加强结构；5-螺钉；6-密封圈；7-螺钉孔；8-注胶槽；9-第二螺纹孔；10-第一流通槽；11-第二流通槽；12-密封槽
具体实施方式
在本发明的描述中，用于描述方位和位置的一些术语有“弧面”、“圆柱段”、“内”、“外”、“端面”、“同轴”等，这些术语只是为了便于描述本发明，而不用于指示和暗示所指的结构件必须按照特定的方位进行操作，因此不能认为是对本发明的限制。本实施例结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。需要说明的是，所描述的只是本发明的一个实施例而非全部实施例。因此不能作为本发明的限制。
参见图1-图5，一种复合材料圆柱耐压壳体的开孔补强及密封结构和方法，包括壳体、加强结构、套管、螺钉、密封圈、球形封头；所述加强结构是在开孔处对孔进行加强，并且与壳体内壁形成粘接面，保证开孔处的强度和密封性；所述套管与加强结构通过螺钉连接，能够保证在注胶时加强结构处于静止状态，另外可以防止壳体受力之后在壳体位置出现分层破坏。所述球形封头与加强结构通过螺纹连接在端面形成一个端面密封。所述加强结构的弧面直径与壳体的内经相同，其圆柱段的外径与壳体孔径为间隙配合。在安装时加强结构圆柱段从壳体内部穿过孔，且其弧面与壳体的内径贴合。所述套管内径与加强结构的圆柱段直径相同，与加强结构通过螺钉连接。所述球形封头通过螺纹与加强结构连接。
所述加强结构的弧面上开有沟槽，可以使胶粘剂与粘接面充分接触，达到更好的密封效果。加强结构靠近弧面的圆柱段上开有螺纹孔，与套管配合使用，可以起到固定加强结构的效果。加强结构圆柱段的另一端有螺纹，且其端面有密封槽，与球形封头通过螺纹配合使用形成轴向密封。
所述套管上开有螺钉孔和注胶口。通过螺钉将套管与加强结构连接在一起可以在壳体开孔处产生一个夹紧力，以避免壳体受力之后开孔处出现纤维破坏。注胶口与加强结构上的沟槽对齐，可以使胶粘剂顺利流到粘接面的任意位置。
所述球形封头内部有螺纹，与加强结构通过螺纹连接在加强结构的端面形成一个端面密封。
所述加强结构弧面上有沟槽，可以保证粘接剂能够充分与粘接面接触。
所述加强结构弧面直径与壳体内径相同，在安装时能完全贴合；加强结构的圆柱段上有螺纹用于和球形封头配合，且其端面有密封槽，用于安装轴向密封圈。
所述加强结构上有四个均布的螺纹孔，但都不是通孔，具体如图3中的附图标记7所示。
所述管套结构上的注胶口是四个均布的斜向下沟槽，具体如图5中的附图标记8所示。
所述球形封头内部有螺纹，用于和加强结构连接形成轴向密封。
所述粘胶剂选择环氧树脂类粘胶剂。
所述密封圈材料为丁腈橡胶。
所述套管、加强结构、球形封头、螺钉采用高强度金属材料加工而成。本实施例中，材料为TC4高强度钢。
所述加强结构圆柱段外径与孔的直径呈间隙配合，安装时通过壳体内部将加强结构的弧面与壳体内径贴合，圆柱段延伸到壳体外侧与套管配合使用。
所述套管内经与加强结构的外径相同，套管与加强结构同轴安装且套管弧面与壳体外径贴合。将二者通过螺钉固定在一起，保证在注胶时粘接面不会发生运动。
通过注胶孔向粘接面注胶，等待粘接面完全粘合。
将所述密封圈放入加强结构圆柱端面的密封槽内，然后将球形封头与加强结构通过螺纹连接，形成端面密封。
一种开孔圆柱形复合材料耐压壳体的补强结构及密封方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：将所述加强结构通过孔从壳体内部穿出，使加强结构的弧面与壳体内径贴合，套管与加强结构同轴安装且使套管弧面与壳体外径贴合，然后通过螺钉将加强结构与套管连接在一起，使加强结构处于静止状态。
步骤二：通过注胶孔向粘接面注胶，等待粘接面完全粘合。
步骤三：将密封圈放置在加强结构圆柱端面的密封槽内，然后将球形封头与加强结构通过螺纹连接压缩密封圈，进而达到轴向密封的效果。
本发明所提供的是一种开孔圆柱形复合材料耐压壳体的补强结构及密封方法，它适用于各种开孔复合材料的加强以及密封，尤其适用于水下工作的需要有较高密封环境的情形。
以上仅为本发明的示范性实例而已，它不限于上述示范性实施细节，不能理解为对本发明的限制。对于在不脱离本发明精神和宗旨的范围内对其所做的任何改变、替换、变形等都应在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种开孔圆柱形复合材料耐压壳体的补强结构，其特征在于，包括套管(2)、球形封头(3)和加强结构(4)；
所述加强结构(4)整体为柱状体，外壁为二阶状，大径端端面为弧形，且该弧形的外径与壳体内径相同；大径端位于复合材料圆柱耐压壳体通孔内且端面与壳体内壁相互贴合，小径端伸出壳体外；大径端与壳体内壁贴合的端面上开有第二流通槽(11)，小径端上开有外螺纹，侧壁上开有若干第一螺纹孔(7)；其中侧壁上沿轴线均布开有若干第一流通槽(10)，且第一流通槽(10)轴线与小径端轴线相互平行；第一流通槽(10)和第二流通槽(11)相互贯通；
所述套管(2)整体为柱状体，外壁为二阶状，套管的大径端端面为弧形，且该弧形的内径与壳体外径相同；小径端侧壁上设有若干注胶孔(8)和第二螺纹孔(9)；
所述套管(2)大径端套在加强结构(4)小径端上后与壳体外壁面贴合，使得套管(2)和加强结构(4)对壳体形成夹紧力；套管(2)小径端内壁与加强结构(4)小径端外壁螺纹固连，此时第一流通槽(10)和对应位置处的注胶孔(8)相互重合；
所述球形封头(3)与加强结构(4)小径端进行螺纹连接，形成轴向密封。
2.如权利要求1所述的一种开孔圆柱形复合材料耐压壳体的补强结构，其特征在于，所述注胶孔(8)沿套管(2)小径段环向均布，且注胶孔(8)为非径向开槽，轴线与套管(2)轴线成60°角，便于灌胶。
3.如权利要求1所述的一种开孔圆柱形复合材料耐压壳体的补强结构，其特征在于，所述注胶孔(8)数量与第一流通槽(10)数量相同，并且当加强结构(4)和套管(2)安装在壳体上之后，注胶孔(8)和第一流通槽(10)应相互对齐，以便胶粘剂能够顺利流到粘接面的任意位置。
4.如权利要求1所述的一种开孔圆柱形复合材料耐压壳体的补强结构，其特征在于，所述第二流通槽(11)为闭合的方形体槽。
5.如权利要求1所述的一种开孔圆柱形复合材料耐压壳体的补强结构，其特征在于，所述套管(2)采用金属材料制成。
6.如权利要求1所述的一种开孔圆柱形复合材料耐压壳体的补强结构，其特征在于，所述加强结构(4)采用金属材料制成。
7.如权利要求1所述的一种开孔圆柱形复合材料耐压壳体的补强结构，其特征在于，所述加强结构(4)小径段的端面上开有一密封槽(12)，用于放置密封圈(6)。
8.基于权利要求1所述一种开孔圆柱形复合材料耐压壳体的补强结构的密封方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将加强结构小径端从壳体上的通孔穿出，使加强结构大径端的弧面与壳体内壁贴合，套管与加强结构同轴且套管的大径端面与壳体外壁贴合，然后通过螺钉将加强结构与套管连接在一起；
步骤2：向注胶孔内灌胶，胶孔内的胶依次流入第一流通槽和第二流通槽，等待加强结构大径端的弧面与壳体内壁面完全粘合；
步骤3：将密封圈放置在加强结构圆柱端面的密封槽内；
步骤4：将球形封头与加强结构通过螺纹连接压缩密封圈，进而达到轴向密封的效果。
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