CN203528747U - 一种复合材料耐压壳体 - Google Patents

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卢水兵
刘栋
易学平
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Abstract

本实用新型公开一种复合材料耐压壳体，该耐压壳体包括金属骨架，以及一次布设在金属骨架外的第一玻璃钢层、钛丝绕制层、第二玻璃钢层、碳纤维层和防护层。该耐压壳体由金属与聚合物基制成，能够在水下大深度下正常工作，且不发生明显形变，同时在满足强度和刚度的条件下重量轻。而且由于采用不同性能及特点的材料制成整体构件，可保证其内部应力均匀分布，又能使其承受一定的外力冲击。

Description

一种复合材料耐压壳体
技术领域
本实用新型涉及一种耐压壳体，具体涉及一种复合材料耐压壳体。
背景技术
为维护国家海洋权益，发展军民兼用的海洋高技术装备是当务之急。从近几年国内外发展趋势来分析，研发一种能在水下几千米深度使用、具有对深海地表或地层进行探测、收集相关海洋数据的装备非常重要。
目前，世界各大浅海油田及大陆架油田得到了充分地开发，各国油气开发逐渐向深海地区推进，获得了很好的经济效益。然而我国海上勘探与开发主要在近海大陆架较浅的海域，因此为尽快进行深海海域勘探开发，大幅度增加海上油气产量势在必行。我国南海北部的大陆架和南沙海域，已勘探到有着丰富的油气资源，蕴藏量相当于目前我国沿海大陆架油气蕴藏量的1.5倍。从另一方面分析，就当前技术来说，由于水下航行器壳体承压能力的限制，我们还不具备走向深水的能力，与世界深水技术的发展相比还存在着很大差距。
为此有必要开发出一种能在水下具备探测、侦察与反侦察的航行器，同时要求其在水下运动灵活、自身隐蔽性强，且具备一定抗冲击能力。要求航行器壳体应具备重量轻，抗压能力强等特点。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供一种复合材料耐压壳体，该耐压壳体能够在水下大深度下正常工作，且不发生明显形变，同时保证其在满足强度和刚度的条件下重量轻。
该复合材料耐压壳体包括：由两个法兰、两个以上纵支撑肋和两个以上支撑环组成的金属骨架；以及依次布置在金属骨架外圆周的第一玻璃钢层、钛丝绕制层、第二玻璃钢层、碳纤维层和防护层；其中所述两个法兰同轴设置，在两个法兰之间沿周向均匀分布两个以上纵支撑肋，所述纵支撑肋的两端分别与两个法兰固接；在两个法兰之间沿均匀轴向分布两个以上支撑环，所述支撑环与纵支撑肋固接；同时在所述防护层的外圆周面上沿轴向分布两个以上碰撞环。
所述金属骨架的材料为7050铝合金。
所述两个法兰的外圆周面为圆锥形结构，且其小端面相对。
在所述两个法兰的圆锥形外圆周面上，与第一玻璃钢层、钛丝绕制层、第二玻璃钢层、碳纤维层及防护层的两端相接触的位置分别加工有径向三角形环槽。
所述纵支撑肋与法兰及支撑环之间均采用铆接工艺连接。
所述第一玻璃钢层由2～3层用环氧树脂胶浸渍后的玻璃纤维布形成。
所述钛丝绕制层由3～4层直径为0.5mm且均匀涂覆有环氧树脂的钛丝绕制而成。
所述碳纤维层由三组碳纤维长丝边按设定规律编制边缠绕在第二玻璃钢层上后形成。
所述防护层的材料由聚酰胺脂和玻璃纤维复合而成，其中玻璃纤维的质量为聚酰胺脂质量的30％～35％。
所述碰撞环通过胶接工艺粘连在防护层上。
有益效果
采耐压壳体能承受较高的外压作用而不发生形变与失稳现象；采用金属框架结构一是可作为耐压壳体的骨架，二是可减轻整体结构的重量。采用不同性能及特点的材料制成的整体构件，可保证其内部应力均匀分布，又能使其承受一定的外力冲击。
附图说明
图1是耐压壳体的剖示图；
图2耐压壳体的端面视图。
其中：1-法兰、2-纵支撑肋、3-支撑环、4-第一玻璃钢层、5-钛丝绕制层、6-碳纤维层、7-防护层、8-防碰撞环、9-第二玻璃钢层
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
本实施例提供一种复合材料制成的水下航行器耐压壳体，该壳体作为水下探测设备或其他要求与水隔离的仪器设备的安装平台，能承受40MPa（水下4000m）外压的能力，且在满足使用条件下重量轻、具备一定的防冲击能力。
本实施例中对耐压壳体的物理尺寸要求为：外径直径760mm、长1500mm(大容积)，在满足使用条件下要求重量轻；工作环境：海水中作业，且能承受40MPa外压的能力，同时具备一定的防冲击能力。
基于上述使用条件，本实施例采用金属与聚合物基制成耐压壳体，其结构组成如图1所示，包含法兰1、纵支撑肋2、支撑环3、玻璃钢层4、钛丝绕制层5、碳纤维层6、防护层7和防碰撞环8。为满足上述使用要求，本实施例采用金属骨架作为耐压壳体的支撑肋2，外部分层敷以金属丝及其他非金属材料组成整体构件，这样即可降低构件内部的应力集中，最大化地使其内部应力均匀分布，又可保证其对外的承压能力。
该耐压壳体的具体结构为：
步骤一：用高强度7050铝合金制作由法兰1、纵支撑肋2和支撑环3组成的金属骨架。
将位于耐压壳体两端的连接法兰先采用锻造工艺制成半成品后，再采用机加工工艺制成成品。其目的在于改善法兰内部组织，提高其强度与韧性。同时在保证法兰的强度及装配工艺的条件下，将法兰设计成圆锥形结构（其过渡面为弧面，以避免应力集中），并在法兰圆锥形外表面上与其他材料的连接部位加径向三角圆环槽，其作用一是在保证装配尺寸及构件强度的条件下，可减小构件的重量；二是能够增强法兰与其他材料间的连接强度。然后将两个法兰同轴布置，其中两个法兰的小端面相对。在两个法兰之间沿周向均匀分布多个纵支撑肋，为控制纵支撑肋应力集中点的均匀性，采用铆接工艺将纵支撑肋的两端分别与两个法兰连接。为提高整体强度，在纵支撑肋上沿轴向等间距布置多个支撑环3，采用铆接工艺将所述支撑环3与纵支撑肋2连接。采用铆接工艺连接既可保证连接部位的强度，又可避免装配时的变形。
步骤二：将步骤一装配完成的金属骨架安装在可做旋转运动的工装上，然后在金属骨架的外圆周面上敷设玻璃纤维布，形成第一玻璃钢层4。
具体为：首先将金属骨架上将与玻璃纤维布相接触的部位用粗砂纸打毛后用酒精清洗，然后在其外圆周面上缠绕2～3层玻璃纤维布，形成第一玻璃钢层4。在缠绕玻璃纤维布的过程中需注意：一是对被缠绕的玻璃纤维布施以设定的恒张力；二是均匀地旋转金属骨架；三是在缠绕玻璃纤维布的同时，用调制好的环氧树脂胶浸渍玻璃纤维布，目的是增强所形成的第一玻璃钢层4的连接强度，同时提高壳体整体的刚度。玻璃纤维布缠绕完成后，在室温下固化24h，然后依次用砂轮片和砂纸对第一玻璃钢层4的外圆周面边打磨边做整型处理。
步骤三：为进一步提高耐压壳体的抗压能力，在步骤二中所形成的第一玻璃钢层4的外圆周面上制作钛丝绕制层5。
具体为：首先将钛丝固定在金属骨架一端的法兰上，其连接方法如同舷梯绞车上的钢索连接在绞盘上的方式。然后在钛丝上均匀地涂覆环氧树脂胶，边涂覆边将钛丝绕制在第一玻璃钢层4的外圆周面上。绕制时采用同缠绕的玻璃纤维布相同的恒张力绕制3～4层，形成钛丝绕制层5。本实施例中所选用的钛丝直径在0.5mm左右，这样既便于构件的成型又可保证成型后构件的刚度与强度。
步骤四：在钛丝绕制层5的外表面均匀涂覆一层环氧树脂胶，然后采用步骤二的操作流程在钛丝绕制层5的外表面绕制2层玻璃纤维布，形成第二玻璃钢层9。其目的是固定钛丝绕制层5，防止其工作过程中脱落。
步骤五：采用三组碳纤维长丝直接绕制在步骤三中形成的第二玻璃钢层9上，制成碳纤维层6。
具体为：将三组碳纤维长丝的一端分别固接在第二玻璃钢层9上，在第二玻璃钢层9的外表面上喷射一层树脂胶液，然后边匀速转动工装上的耐压壳体半成品边缠绕碳纤维长丝，同时按一定规律对碳纤维长丝进行编制。在缠绕编制过程中，当铺完一层碳纤维层后，对其外表面喷射树脂胶液，再进行下一层的缠绕；直至所形成的碳纤维层6达到其设定厚度后将耐压壳体的半成品从工装上卸下。
为使最后形成的耐压壳体在布放或回收时具有一定的抗冲击能力，同时确保碳纤维层6固接牢固，在碳纤维层6的外表面设置防护层7，由此形成所需的耐压壳体。所述防护层7的材料选用聚酰胺脂加玻璃纤维，其中玻璃纤维/聚酰胺脂的质量比例在30％～35％之间，这样可保证防护层7的塑性，提高其综合机械性能，同时该复合材料与铝合金和钢的线膨胀系数相近，使其安装牢固，不易脱落。
为进一步提高所形成的耐压壳体的抗冲击能力，在防护层7的外圆周上沿轴向等间距装配有若干防碰撞环8。所述防碰撞环8的材料可选用耐海水、耐臭氧、老化性能强的橡胶制成，采用胶接工艺将其粘连在防护层7的外表面上，成型后的耐压壳体结构如图1和图2所示。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种复合材料耐压壳体，其特征在于，包括：由两个法兰（1）、两个以上纵支撑肋（2）和两个以上支撑环（3）组成的金属骨架；以及依次布置在金属骨架外圆周的第一玻璃钢层（4）、钛丝绕制层（5）、第二玻璃钢层（9）、碳纤维层（6）和防护层（7）；其中所述两个法兰同轴设置，在两个法兰之间沿周向均匀分布两个以上纵支撑肋，所述纵支撑肋的两端分别与两个法兰固接；在两个法兰之间沿均匀轴向分布两个以上支撑环，所述支撑环与纵支撑肋固接；同时在所述防护层（7）的外圆周面上沿轴向分布两个以上碰撞环（8）。
2.如权利要求1所述的复合材料耐压壳体，其特征在于，所述金属骨架的材料为7050铝合金。
3.如权利要求1所述的复合材料耐压壳体成型方法，其特征在于，所述两个法兰的外圆周面为圆锥形结构，且其小端面相对。
4.如权利要求3所述的复合材料耐压壳体成型方法，其特征在于，在所述两个法兰的圆锥形外圆周面上，与第一玻璃钢层（4）、钛丝绕制层（5）、第二玻璃钢层（9）、碳纤维层（6）及防护层（7）的两端相接触的位置分别加工有径向三角形环槽。
5.如权利要求1所述的复合材料耐压壳体成型方法，其特征在于，所述纵支撑肋与法兰及支撑环之间均采用铆接工艺连接。
6.如权利要求1所述的一种复合材料耐压壳体成型方法，其特征在于，所述第一玻璃钢层（4）由2～3层用环氧树脂胶浸渍后的玻璃纤维布形成。
7.如权利要求1所述的复合材料耐压壳体成型方法，其特征在于，所述钛丝绕制层（5）由3～4层直径为0.5mm且均匀涂覆有环氧树脂的钛丝绕制而成。
8.如权利要求1所述的复合材料耐压壳体成型方法，其特征在于，所述碳纤维层（6）由三组碳纤维长丝边按设定规律编制边缠绕在第二玻璃钢层（9）上后形成。
9.如权利要求1所述的复合材料耐压壳体，其特征在于，所述防护层（7）的材料由聚酰胺脂和玻璃纤维复合而成，其中玻璃纤维的质量为聚酰胺脂质量的30％～35％。
10.如权利要求1所述的复合材料耐压壳体成型方法，其特征在于，所述碰撞环（8）通过胶接工艺粘连在防护层（7）上。
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