CN115571305A - 复合材料球形耐压壳的净浮力稳定设计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合材料球形耐压壳的净浮力稳定设计方法及装置。对一具有球形耐压壳的潜器，确定所述球形耐压壳的工作特性参数，配置用于制备球形耐压壳所需的复合材料体系，确定复合材料的材料纤维体积含量V_f、压缩模量E、许用强度σ以及泊松比ν；确定上述球形耐压壳满足工作水深净浮力稳定的耐压壳厚度t，以及耐压壳的强度失效载荷P_y与屈曲失效载荷P_cr；基于满足P_y≥P_j且P_cr≥P_j的复合材料球形耐压壳，确定所述复合材料球形耐压壳的复合材料纤维体积含量V_f以及耐压壳的厚度t。本发明能有效维持深海潜器在下潜或上浮过程中净浮力的稳定，提高潜器的续航能力。

Description

复合材料球形耐压壳的净浮力稳定设计方法及装置

技术领域

本发明涉及一种稳定方法及装置，尤其是一种复合材料球形耐压壳的净浮力稳定设计方法及装置。

背景技术

水下无人潜器的应用越来越广泛，负载和续航则是制约其发展的重要瓶颈，复合材料耐压结构的应用能有效的提升负载能力和续航。

一般而言，海水的密度会随着深度的增加而增大，而水下无人潜器的耐压壳则随着深度的增加不断的发生压缩变形，这将造成耐压壳净浮力的变化，例如，某初始排水125.9L的水下滑翔机，在7000米深度时浮力增加了3.3L。

为了确保耐压壳的稳定性与可靠性，当浮力增加时，需要设计额外的被动浮力补偿系统来平衡这种浮力的变化，这将造成能源的消耗，降低了续航能力，也对其运动状态的分析带来了困难。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种复合材料球形耐压壳的净浮力稳定设计方法及装置，可协调复合材料球形耐压壳的压缩变形，使之与海水密度的变化相匹配，进而有效维持深海潜器在下潜或上浮过程中净浮力的稳定，提高潜器的续航能力。

按照本发明提供的技术方案，一种复合材料球形耐压壳的净浮力稳定设计方法，

对一具有球形耐压壳的潜器，确定所述球形耐压壳的工作特性参数，其中，所述球形耐压壳的工作特性参数包括球壳半径R、工作深度h、工作深度海水密度ρ、校核载荷P_j以及工作载荷P；

配置用于制备球形耐压壳所需的复合材料体系，其中，所配置的复合材料体系包括复合材料的组分、所述复合材料的铺层方案以及所述复合材料的制备工艺；对所配置的复合材料体系，确定基于所配置复合材料体系下复合材料的纤维体积含量V_f、压缩模量E、许用强度σ以及泊松比ν；

确定基于所配置复合材料体系制备的球形耐压壳满足工作水深净浮力稳定的耐压壳厚度t，以及，

基于上述所确定的耐压壳厚度t、许用强度σ以及球壳半径R确定耐压壳的强度失效载荷P_y与屈曲失效载荷P_cr；

对上述确定的强度失效载荷P_y，若P_y<P_j，则对上述复合材料体系的制备工艺调整，以更新基于所配置复合材料体系下的复合材料，并确定所更新复合材料的纤维体积含量V_f、压缩模量E、许用强度σ以及泊松比ν，直至基于上述复合材料体系制备的复合材料球形耐压壳满足P_y≥P_j且P_cr≥P_j；

基于满足P_y≥P_j且P_cr≥P_j的复合材料球形耐压壳，确定所述复合材料球形耐压壳的复合材料纤维体积含量V_f以及耐压壳的厚度t。

所述复合材料包括纤维增强复合材料，所述纤维增强复合材料包括玻璃纤维增强环氧树脂复合材料；

配置的复合材料为纤维增强复合材料时，所配置的铺层方案为[0/±45/90]ns。

对用于制备复合材料球形耐压壳的复合材料体系，基于纤维体积含量V_f、压缩模量E，则有：

其中，E_1f为复合材料内增强纤维的纵向模量，E_m为复合材料内基体的纵向模量，G_12f为复合材料内增强纤维的剪切模量，G_m为复合材料内基体的剪切模量；V_m为复合材料内基体的体积含量。

对用于制备复合材料球形耐压壳的复合材料体系，利用有限元方法进行材料的渐进损伤演化仿真分析评估确定许用强度σ以及泊松比ν。对耐压壳厚度t，则有：

其中，(Δρ/ρ₀)为密度变化百分比，ρ₀为海水表面密度，Δρ为工作深度海水密度ρ与海水表面密度ρ₀的差值。

对校核载荷P_j，则有：P_j＝1.5×9.8×ρ×h

对强度失效载荷P_y，则有：

对屈曲失效载荷P_cr，则有：

在确定强度失效载荷P_y与屈曲失效载荷P_cr后，先将强度失效载荷P_y与校核载荷P_j比较，若P_y<P_j，对制备工艺调整，直至使得P_y≥P_j；

当P_y≥P_j后，将屈曲失效载荷P_cr与校核载荷P_j比较，若P_cr<P_j，对制备工艺调整，直至使得P_cr≥P_j。

一种复合材料球形耐压壳的净浮力稳定设计装置，包括一设计终端，其中，设计终端利用上述的设计方法设计使得所制备形成复合材料球形耐压壳的净浮力稳定。

本发明的优点：以复合材料纤维体积含量V_f以及满足工作水深净浮力稳定的耐压壳厚度t为设计目标，设计得到的复合材料球形耐压壳，能够协调耐压壳的压缩变形和海水密度的变化，维持深海潜器在下潜或上浮过程中净浮力的稳定，进而减少能源的消耗，提高续航能力。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示：为了能有效维持深海潜器在下潜或上浮过程中净浮力的稳定，提高潜器的续航能力，对复合材料球形耐压壳的净浮力稳定设计方法，本发明的一种实施例中，则有：

对一具有球形耐压壳的潜器，确定所述球形耐压壳的工作特性参数，其中，所述球形耐压壳的工作特性参数包括球壳半径R、工作深度h、工作深度海水密度ρ、校核载荷P_j以及工作载荷P；

配置用于制备球形耐压壳所需的复合材料体系，其中，所配置的复合材料体系包括复合材料的组分、所述复合材料的铺层方案以及所述复合材料的制备工艺；对所配置的复合材料体系，确定基于所配置复合材料体系下复合材料的纤维体积含量V_f、压缩模量E、许用强度σ以及泊松比ν；

确定基于所配置复合材料体系制备的球形耐压壳满足工作水深净浮力稳定的耐压壳厚度t，以及，

基于上述所确定的耐压壳厚度t、许用强度σ以及球壳半径R确定耐压壳的强度失效载荷P_y与屈曲失效载荷P_cr；

对上述确定的强度失效载荷P_y，若P_y<P_j，则对上述复合材料体系的制备工艺调整，以更新基于所配置复合材料体系下的复合材料，并确定所更新复合材料的纤维体积含量V_f、压缩模量E、许用强度σ以及泊松比ν，直至基于上述复合材料体系制备的复合材料球形耐压壳满足P_y≥P_j且P_cr≥P_j；

基于满足P_y≥P_j且P_cr≥P_j的复合材料球形耐压壳，确定所述复合材料球形耐压壳的复合材料纤维体积含量V_f以及耐压壳的厚度t。

对任一潜器，根据潜器的工作设定，可确定所述潜器内球形耐压壳的工作特性参数，本发明的一种实施例中，所要确定的工作特性参数，至少包括球壳半径R、工作深度h、工作深度海水密度ρ、海水表面密度ρ₀、校核载荷P_j以及工作载荷P。一般地，工作载荷P为P＝9.8*ρ*h，校核载荷P_j为P_j＝1.5×9.8×ρ×h。海水表面密度ρ₀及工作深度海水密度ρ可根据潜器工作的区域等具体确定，具体与确定海水表面密度ρ₀及工作深度海水密度ρ的技术手段可与现有相一致。

为了能使得复合材料球形耐压壳满足净浮力稳定地需求，需要确定复合材料球形耐压壳相对应的耐压壳厚度t以及复合材料纤维体积含量V_f。为了制备基于耐压壳厚度t以及复合材料纤维体积含量V_f的复合材料球形耐压壳，本发明的一种实施例中，需配置用于制备球形耐压壳所需的复合材料体系，以及基于所述复合材料体系所形成的复合材料。具体地，所配置的复合材料体系包括复合材料的组分、所述复合材料的铺层方案以及所述复合材料的制备工艺。

基于所配置的复合材料体系，即可确定所配置复合材料体系的复合材料纤维体积含量V_f、压缩模量E、许用强度σ以及泊松比ν。

本发明的一种实施例中，所述复合材料包括纤维增强复合材料，所述纤维增强复合材料包括玻璃纤维增强环氧树脂复合材料；

配置的复合材料为纤维增强复合材料时，所配置的铺层方案为[0/±45/90]ns。

具体实施时，复合材料可选为纤维增强复合材料，其中，纤维增强复合材料可为玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，或者为碳纤维增强环氧树脂复合材料。当复合材料选用玻璃纤维增强环氧树脂复合材料时，复合材料的组分包括玻璃纤维以及环氧树脂，其中，复合材料的增强纤维为玻璃纤维，复合材料的基体为环氧树脂。当选定复合材料为玻璃纤维增强环氧树脂复合材料时，对应配置的铺层方案为[0/±45/90]ns。具体实施时，根据调节复合材料的制备工艺，可以调整得到相应的复合材料纤维体积含量V_f。

复合材料纤维体积含量V_f反映复合材料中增强纤维的含量比例，主要与复合材料制品的制备工艺相关，不同的制备工艺，复合材料纤维体积含量V_f的范围不同。常用的制备工艺包括：手糊工艺(V_f：0.2～0.3)、真空袋工艺(V_f：0.5左右)、缠绕成型工艺(V_f：0.7左右)等。

对于铺层方案，所述方案中的数值所代表铺层角度，铺层顺序分别为0，-45,45,90,90,45，-45,0，下标n为循环次数，根据结构的厚度确定，下标s代表对称铺层。制备工艺以及铺层方案的具体情况与现有相一致，在确定复合材料的组分、铺层方案以及制备工艺后，即可采用现有常用的技术手段制备得到基于复合材料体系的复合材料。

本发明的一种实施例中，对选用的玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，所述复合材料的纤维体积含量V_f、压缩模量E，则有：

其中，E_1f为复合材料内增强纤维的纵向模量，E_m为复合材料内基体的纵向模量，G_12f为复合材料内增强纤维的剪切模量，G_m为复合材料内基体的剪切模量；V_m为复合材料内基体的体积含量。

具体实施时，复合材料内增强纤维的纵向模量E_1f、复合材料内基体的纵向模量E_m、复合材料内增强纤维的剪切模量G_12f以及复合材料内基体的剪切模量G_m可以通过测量或从材料供应商处获得，具体与现有相一致。

对于复合材料纤维体积含量V_f、复合材料内基体的体积含量V_m与铺层工艺相关，在确定制备工艺后，可采用本技术领域常用的技术手段确定复合材料纤维体积含量V_f以及复合材料内基体的体积含量V_m。在确定复合材料纤维体积含量V_f后，即可确定复合材料内基体的体积含量V_m。

本发明的一种实施例中，对用于制备复合材料球形耐压壳的复合材料，采用有限元方法进行材料的渐进损伤演化仿真分析评估确定许用强度σ以及泊松比ν，采用有限元方法进行材料的渐进损伤演化仿真分析评估确定许用强度σ以及泊松比ν的方式以及过程与现有相一致，为本技术领域人员所熟知。当然，在具体实施时，许用强度σ以及泊松比ν还可以采用其他技术手段确定得到，具体技术手段可以根据实际需要选择，以能得到球形耐压壳用复合材料的许用强度σ以及泊松比ν为准。

本发明的一种实施例中，确定上述所形成复合材料球形耐压壳满足工作水深净浮力稳定的耐压壳厚度t，则有：

其中，(Δρ/ρ₀)为密度变化百分比。

具体地，在确定压缩模量E后，根据球形耐压壳的工作特性参数，即可确定球形耐压壳满足工作水深净浮力稳定的耐压壳厚度t。

本发明的一种实施例中，在确定复合材料球形耐压壳满足工作水深净浮力稳定的耐压壳厚度t后，对强度失效载荷P_y，则有：

此外，对屈曲失效载荷P_cr，则有：

在得到强度失效载荷P_y与屈曲失效载荷P_cr后，需要将校核载荷P_j与强度失效载荷P_y与屈曲失效载荷P_cr进行比较。本发明的一种实施例中，先将强度失效载荷P_y与校核载荷P_j比较，若P_y<P_j，对制备工艺调整，直至使得P_y≥P_j；

当P_y≥P_j后，将屈曲失效载荷P_cr与校核载荷P_j比较，若P_cr<P_j，对制备工艺调整，直至使得P_cr≥P_j。

具体实施时，对复合材料的制备工艺调整，由上述说明可知，调整复合材料的制备工艺后，即更新所配置的复合材料体系下的复合材料，此时，可得到更新后复合材料相应的纤维体积含量V_f、耐压壳压缩模量E、许用强度σ以及泊松比ν。利用更新后的复合材料纤维体积含量V_f、耐压壳压缩模量E、许用强度σ以及泊松比ν，即可更新强度失效载荷P_y与屈曲失效载荷P_cr。

重复上述调整复合材料的制备工艺，直至P_y≥P_j且P_cr≥P_j。

本发明的一种实施例中，基于满足P_y≥P_j且P_cr≥P_j的复合材料球形耐压壳，确定所述复合材料球形耐压壳的复合材料纤维体积含量V_f以及耐压壳的厚度t。根据所确定的复合材料纤维体积含量V_f以及耐压壳的厚度t，即可完成复合材料球形耐压壳的净浮力稳定设计，此时，所形成的复合材料球形耐压壳满足净浮力稳定。当然，确定所述复合材料球形耐压壳的复合材料纤维体积含量V_f以及耐压壳的厚度t时，也同时能得到所配置的复合材料体系，以及基于所述复合材料体系下的复合材料。

下面给出本发明设计过程的一种具体实施例。

确定某水下无人潜器的复合材料耐压球壳的半径R＝500mm、工作深度h＝3000m、海水表面密度ρ₀＝1020kg/m³，工作深度3000处海水密度ρ＝1041kg/m³，密度变化百分比(Δρ/ρ₀)＝0.0206，并计算获得校核载荷P_j＝45.91MPa；工作载荷P＝30.61MPa。

采用玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，对所述玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，供应商提供复合材料内玻璃纤维的纵向模量E_1f＝88GPa，复合材料内玻璃纤维的剪切模量G_12f＝36.7GPa。复合材料内基体的纵向模量E_m＝3GPa，复合材料内基体的剪切模量G_m＝1.1GPa。铺层方案为[0/±45/90]ns，此时，假定初始复合材料纤维体积含量为V_f＝0.7，评估得到压缩模量E＝25.1GPa、许用强度σ＝350MPa，泊松比ν＝0.36。

计算满足工作水深净浮力稳定的耐压壳厚度t＝31.1mm、计算获得强度失效载荷P_y＝43.55MPa。

强度失效载荷P_y＝43.55MPa<校核载荷P_j＝45.91MPa，不满足P_cr≥P_j，则修改制备工艺为真空袋工艺，此时，复合材料纤维体积含量为V_f＝0.5。评估确定压缩模量E＝17.7GPa、许用强度σ＝300MPa，泊松比ν＝0.35。

在复合材料纤维体积含量为V_f＝0.5时，计算获得满足工作水深净浮力稳定的耐压壳厚度t＝44.2mm。计算获得强度失效载荷P_y＝53.06MPa。

强度失效载荷P_y＝53.06MPa>校核载荷P_j＝45.91MPa，满足P_y≥P_j。

计算的屈曲失效载荷P_cr＝116.96MPa。

屈曲失效载荷P_cr＝116.96MPa>校核载荷P_j＝45.91MPa，满足P_cr≥P_j。

得到满足工作水深净浮力稳定的耐压壳厚度t＝44.2mm和复合材料纤维体积含量V_f＝0.5。

结束流程。

综上，得到复合材料球形耐压壳的净浮力稳定设计装置，包括一设计终端，其中，设计终端利用上述设计方法设计使得所制备形成复合材料球形耐压壳的净浮力稳定。

具体地，设计终端可以采用现有常用的终端设备，如计算机终端等，具体以能满足实施上述净浮力稳定设计为准，满足复合材料球形耐压壳的净浮力稳定的设计方法可以参考上述说明，此处不再赘述。

Claims (10)

1.一种复合材料球形耐压壳的净浮力稳定设计方法，其特征是：

对一具有球形耐压壳的潜器，确定所述球形耐压壳的工作特性参数，其中，所述球形耐压壳的工作特性参数包括球壳半径R、工作深度h、工作深度海水密度ρ、校核载荷P_j以及工作载荷P；

配置用于制备球形耐压壳所需的复合材料体系，其中，所配置的复合材料体系包括复合材料的组分、所述复合材料的铺层方案以及所述复合材料的制备工艺；对所配置的复合材料体系，确定基于所配置复合材料体系下复合材料的纤维体积含量V_f、压缩模量E、许用强度σ以及泊松比ν；

确定基于所配置复合材料体系制备的球形耐压壳满足工作水深净浮力稳定的耐压壳厚度t，以及，

基于上述所确定的耐压壳厚度t、许用强度σ以及球壳半径R确定耐压壳的强度失效载荷P_y与屈曲失效载荷P_cr；

对上述确定的强度失效载荷P_y，若P_y<P_j，则对上述复合材料体系的制备工艺调整，以更新基于所配置复合材料体系下的复合材料，并确定所更新复合材料的纤维体积含量V_f、压缩模量E、许用强度σ以及泊松比ν，直至基于上述复合材料体系制备的复合材料球形耐压壳满足P_y≥P_j且P_cr≥P_j；

基于满足P_y≥P_j且P_cr≥P_j的复合材料球形耐压壳，确定所述复合材料球形耐压壳的复合材料纤维体积含量V_f以及耐压壳的厚度t。

2.根据权利要求1所述复合材料球形耐压壳的净浮力稳定设计方法，其特征是：所述复合材料包括纤维增强复合材料，所述纤维增强复合材料包括玻璃纤维增强环氧树脂复合材料。

3.根据权利要求2所述复合材料球形耐压壳的净浮力稳定设计方法，其特征是，

配置的复合材料为纤维增强复合材料时，所配置的铺层方案为[0/±45/90]ns；

对用于制备复合材料球形耐压壳的复合材料体系，基于纤维体积含量V_f、压缩模量E，则有：

其中，E_1f为复合材料内增强纤维的纵向模量，E_m为复合材料内基体的纵向模量，G_12f为复合材料内增强纤维的剪切模量，G_m为复合材料内基体的剪切模量；V_m为复合材料内基体的体积含量。

4.根据权利要求1至3任一项所述复合材料球形耐压壳的净浮力稳定设计方法，其特征是，对用于制备复合材料球形耐压壳的复合材料体系，利用有限元方法进行材料的渐进损伤演化仿真分析评估确定许用强度σ以及泊松比ν。

5.根据权利要求1至3任一项所述复合材料球形耐压壳的净浮力稳定设计方法，其特征是，对耐压壳厚度t，则有：

其中，(Δρ/ρ₀)为密度变化百分比，ρ₀为海水表面密度，Δρ为工作深度海水密度ρ与海水表面密度ρ₀的差值。

6.根据权利要求1至3任一项所述复合材料球形耐压壳的净浮力稳定设计方法，其特征是，对校核载荷P_j，则有：P_j＝1.5×9.8×ρ×h。

7.根据权利要求1至3任一项所述复合材料球形耐压壳的净浮力稳定设计方法，其特征是，对强度失效载荷P_y，则有：

8.根据权利要求1至3任一项所述复合材料球形耐压壳的净浮力稳定设计方法，其特征是，对屈曲失效载荷P_cr，则有：

9.根据权利要求1至3任一项所述复合材料球形耐压壳的净浮力稳定设计方法，其特征是，在确定强度失效载荷P_y与屈曲失效载荷P_cr后，先将强度失效载荷P_y与校核载荷P_j比较，若P_y<P_j，对制备工艺调整，直至使得P_y≥P_j；

当P_y≥P_j后，将屈曲失效载荷P_cr与校核载荷P_j比较，若P_cr<P_j，对制备工艺调整，直至使得P_cr≥P_j。

10.一种复合材料球形耐压壳的净浮力稳定设计装置，其特征是：包括一设计终端，其中，设计终端利用上述权利要求1～权利要求9任一项的设计方法设计使得所制备形成复合材料球形耐压壳的净浮力稳定。

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