CN208343607U - 一种智慧型auv壳体结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智慧型AUV壳体结构，属于AUV壳体壳体领域，由内到外依次包括金属密闭腔体、刚性层、强化层和防渗层，所述刚性层为多维混杂纤维增强树脂基复合材料刚性层，所述刚性层采用混杂纤维三维编织预制体织物结构增强高性能树脂基体构成，所述刚性层的三维编织预制体织物结构中混杂有光纤；所述强化层为二维缠绕混杂纤维增强树脂基复合材料强化层，所述强化层采用二维缠绕的方式设置在所述刚性层的表面；所述防渗层为多维碳纤维增强橡胶基防渗层，所述防渗层采用碳纤维三维编织织物结构与高强度橡胶复合而成。本实用新型可实时监控AUV壳体受力状态的，同时具有较好的耐压性、防渗性、防冲击和耐腐蚀性。

Description

一种智慧型AUV壳体结构

技术领域

本实用新型涉及AUV壳体技术领域，特别是指一种智慧型AUV壳体结构。

背景技术

自主式水下机器人(AUV)是新一代水下航行器，具有活动范围大、机动性好、安全和智能化的诸多优点，成为完成各种水下探测任务和研究工作的主要工具。例如在民用领域可用于水下铺设管线、海底考察、数据收集、钻井支援、海底施工以及水下设备维护维修等重要工作；在军用领域则可用于侦察、布雷、扫雷、水下救援、潜水救生等。由于水下机器人不受电缆活动范围的限制，隐蔽性好，所以成为工业界和军方研究的重点。

水下环境的力学受力要求复杂，对整个设备的耐压、防渗漏、防冲击以及耐腐蚀等性能要求十分苛刻，传统的水下机器人壳体材料均采用金属材质配合表面的防锈涂层构成，这种复合结构虽然整体的密闭性较好，但是长期的水下作业给金属的耐腐蚀性能带来了极大的挑战，此外金属自身的自重较大，对于下潜深度较大或者水下作业要求复杂的工况，自身携带的设备或部件由于自重空间的限制，其工作的复杂水平必然受到限制。

除此之外，传统金属材质自身的成型方式决定了其壳体材料自身对水下受力状态变化的响应措施几乎没有，而这也是现代智能材料发展所无法匹配的。因此要改变这种水下航行器制备材料的诸多问题，迫切需要一种新型的复合材料材质的结构来取代原有的金属材料，同时在AUV壳体自身的成型过程中，在材料内引入响应智能组件来提高机器人壳体的复杂应力响应功能特性。

实用新型内容

本实用新型提供一种可实时监控AUV壳体受力状态的，同时具有较好的耐压性、防渗性、防冲击和耐腐蚀性的智慧型AUV壳体结构。

为解决上述技术问题，本实用新型提供技术方案如下：

本实用新型提供一种智慧型AUV壳体结构，由内到外依次包括金属密闭腔体、刚性层、强化层和防渗层，其中：

所述刚性层为多维混杂纤维增强树脂基复合材料刚性层，所述刚性层采用混杂纤维三维编织预制体织物结构增强高性能树脂基体构成，所述刚性层的三维编织预制体织物结构中混杂有光纤；

所述强化层为二维缠绕混杂纤维增强树脂基复合材料强化层，所述强化层采用二维缠绕的方式设置在所述刚性层的表面；

所述防渗层为多维碳纤维增强橡胶基防渗层，所述防渗层采用碳纤维三维编织织物结构与高强度橡胶复合而成。

进一步的，所述金属密闭腔体采用圆柱体形式，所述金属密闭腔体的直径为10-50cm，长度为1-5m；

所述金属密闭腔体的材质为铝合金、钛合金或镁铝合金。

进一步的，所述光纤为8-10μm的单模光纤或50-60μm的多模光纤。

进一步的，所述强化层的厚度为刚性层厚度的0.5-2倍，所述防渗层的厚度为3-6mm。

进一步的，所述刚性层中三维编织预制体织物结构采用三维四向、三维五向、三维六向或三维七向；

刚性层中的混杂纤维包括主体纤维和辅助纤维，所述主体纤维为碳纤维，辅助纤维为氧化铝、碳化硅、碳化硼、玄武岩或玻璃纤维，所述主纤维与辅助纤维的比例为1:1-10:1。

进一步的，所述刚性层中的树脂基体为热塑性树脂改性环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂或聚醚醚酮树脂，其中，热塑性树脂改性体为聚乙烯、聚丙烯、聚苯硫醚或聚氨酯。

进一步的，所述防渗层中三维编织织物结构为三维四向、三维五向、三维六向或三维七向，所述防渗层中橡胶基体为丁苯橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶、聚硫橡胶或聚氨酯橡胶。

实用新型具有以下有益效果：

本实用新型的智慧型AUV壳体结构，利用混杂纤维复合材料与多层复合基体成型，其金属密闭腔体、刚性层、强化层和防渗层紧密的采用特定工艺结合在一起，具有较好的耐压性、防渗性、防冲击和耐腐蚀性，保证AUV在水下的正常工作，同时，在其内部嵌入智能部件光纤，可实时监控AUV壳体的受力状态，同时在特定部位采用光纤感应部件可以实时感应AUV不同位置的水压变化和水下冲击变化，有效保证壳体的安全性和结构稳定性。

附图说明

图1为本实用新型的智慧型AUV壳体结构的整体结构示意图，其中，1-金属密闭腔体，2-刚性层，3-光纤，4-强化层，5-防渗层。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，本实用新型提供一种智慧型AUV壳体结构，如图1所示，由内到外依次包括金属密闭腔体1、刚性层2、强化层4和防渗层5，其中：

刚性层2为多维混杂纤维增强树脂基复合材料刚性层，刚性层2采用混杂纤维三维编织预制体织物结构增强高性能树脂基体构成，刚性层2的三维编织预制体织物结构中混杂有光纤3，值得注意的是，此处光纤3与数据采集设备之间的连接关系以及电路连接方式等均可按照现有技术进行连接，电路连接不是本实用新型的重点；

强化层4为二维缠绕混杂纤维增强树脂基复合材料强化层，强化层4采用二维缠绕的方式设置在刚性层2的表面；

防渗层5为多维碳纤维增强橡胶基防渗层，防渗层5采用碳纤维三维编织织物结构与高强度橡胶复合而成。

本实用新型的智慧型AUV壳体结构，利用混杂纤维复合材料与多层复合基体成型，将金属密闭腔体、刚性层、强化层和防渗层紧密结合在一起，具有较好的耐压性、防渗性、防冲击和耐腐蚀性，保证AUV在水下的正常工作，同时，在其内部嵌入智能部件光纤，可实时监控AUV壳体的受力状态，同时在特定部位采用光纤感应部件可以实时感应AUV不同位置的水压变化和水下冲击变化，有效保证壳体的安全性和结构稳定性。

进一步的，金属密闭腔体1优选采用圆柱体形式，金属密闭腔体1的直径优选为10-50cm，长度为1-5m；

金属密闭腔体1的材质可以为铝合金、钛合金或镁铝合金。

进一步的，光纤优选为8-10μm的单模光纤或50-60μm的多模光纤。

进一步的，强化层4的厚度为刚性层2厚度的0.5-2倍，防渗层5的厚度为3-6mm。

优选的，刚性层2中三维编织预制体织物结构采用三维四向、三维五向、三维六向或三维七向；

刚性层2中的混杂纤维包括主体纤维和辅助纤维，所述主体纤维为碳纤维，辅助纤维为氧化铝、碳化硅、碳化硼、玄武岩或玻璃纤维，所述主纤维与辅助纤维的比例为1:1-10:1。

优选的，刚性层2中的树脂基体为热塑性树脂改性环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂或聚醚醚酮树脂，其中，热塑性树脂改性体为聚乙烯、聚丙烯、聚苯硫醚或聚氨酯。

本实用新型中，防渗层5中三维编织织物结构为三维四向、三维五向、三维六向或三维七向，防渗层5中橡胶基体为丁苯橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶、聚硫橡胶或聚氨酯橡胶。

本实用新型的智慧型AUV壳体结构，利用混杂纤维复合材料与多层复合基体成型，通过特定工艺将金属密闭腔体、刚性层、强化层和防渗层紧密结合在一起，具有较好的耐压性、防渗性、防冲击和耐腐蚀性，保证AUV在水下的正常工作，同时，在其内部嵌入智能部件光纤，可实时监控AUV壳体的受力状态，同时在特定部位采用光纤感应部件可以实时感应AUV不同位置的水压变化和水下冲击变化，有效保证壳体的安全性和结构稳定性。

下面结合具体实施例进行进一步说明本实用新型的结构及制备方法，但所列过程和数据并不意味着对本实用新型范围的限制。

实施例1：

本实用新型具体实施例的壳体结构由内到外由金属密闭腔体、多维混杂纤维增强树脂基复合材料刚性层、二维缠绕混杂纤维增强树脂基复合材料强化层以及最外层的多维碳纤维增强橡胶基体防渗层组成；

最内层为直径10cm、长度1米的铝合金圆柱腔体；

采用三维四向织物结构制备多维混杂纤维增强树脂基复合材料刚性层，其中混杂织物以T300碳纤维为主体纤维，以氧化铝为辅助纤维，碳纤维与辅助纤维例为10:1，在混杂多维织物中选用8-10μm的单模光纤的高传导玻璃纤维混杂作为智能传感部件，在预制体织物在金属密闭腔体表面编织完成后，采用聚乙烯改性环氧树脂的真空导入方式浸渍上述织物，浸渍过程中的真空度控制在0.06MPa，固化时间为2h，固化温度为120℃，最终的多维混杂纤维增强树脂基复合材料刚性层的树脂基体含量控制在20％；

在多维编织复合材料刚性层制备好之后，在表面选用T300碳纤维为主体纤维，玻璃纤维为混杂纤维，预先浸渍环氧树脂，主纤维与混杂纤维的比例在1:1，缠绕角度在10°，采用二维缠绕方式制备强化层，强化层的厚度为刚性层厚度的0.5倍，在缠绕并浸渍树脂之后采用固化时间为2h，固化温度为150℃的成型方式最终形成强化层复合材料；

在二维强化复合材料层制备完毕之后，在最外层采用三维五向的织物结构制备多维T700碳纤维预制体，之后将整个壳体预成型样品置于密闭模具内，采用注射成型方式，将丁苯橡胶橡胶熔融体注射到碳纤维预制体织物内部，橡胶冷却固化形成厚度为5mm的表面防渗层。

实施例2：

本实用新型具体实施例的壳体结构由内到外由金属密闭腔体、多维混杂纤维增强树脂基复合材料刚性层、二维缠绕混杂纤维增强树脂基复合材料强化层以及最外层的多维碳纤维增强橡胶基体防渗层组成；

最内层为直径50cm、长度5米的钛合金圆柱腔体；

采用三维五向织物结构制备多维混杂纤维增强树脂基复合材料刚性层，其中混杂织物以T800碳纤维为主体纤维，以玻璃纤维为辅助纤维，碳纤维与辅助纤维例为1:1，在混杂多维织物中选用50-60μm的多模光纤的高传导玻璃纤维混杂作为智能传感部件，在预制体织物在金属密闭腔体表面编织完成后，采用聚丙烯改性聚醚醚酮树脂的真空导入方式浸渍上述织物，浸渍过程中的真空度控制在0.1MPa，固化时间为3h，固化温度为180℃，最终的多维混杂纤维增强树脂基复合材料刚性层的树脂基体含量控制在40％；

在多维编织复合材料刚性层制备好之后，在表面选用T300碳纤维为主纤维，玻璃纤维为混杂纤维，预先浸渍酚醛树脂，注意纤维与混杂纤维的比例在10:1，缠绕角度在45°，采用二维缠绕方式制备强化层，强化层的厚度为刚性层厚度的2倍。在缠绕并浸渍树脂之后采用固化时间为2h，固化温度为160℃的成型方式最终形成强化层复合材料；

在二维强化复合材料层制备完毕之后，在最外层采用三维六向的织物结构制备多维T700碳纤维预制体，之后将整个壳体预成型样品置于密闭模具内，采用注射成型方式，将氯丁橡胶橡胶熔融体注射到碳纤维预制体织物内部，橡胶冷却固化形成厚度为4mm的表面防渗层。

实施例3：

本实用新型具体实施例的壳体结构由内到外由金属密闭腔体、多维混杂纤维增强树脂基复合材料刚性层、二维缠绕混杂纤维增强树脂基复合材料强化层以及最外层的多维碳纤维增强橡胶基体防渗层组成；

最内层为直径20cm、长度4米的镁铝合金圆柱腔体；

采用三维七向织物结构制备多维混杂纤维增强树脂基复合材料刚性层，其中混杂织物以T1000碳纤维为主体纤维，以玄武岩纤维为辅助纤维，碳纤维与辅助纤维例为1:1，在混杂多维织物中选用8-10μm的单模光纤高传导玻璃纤维混杂作为智能传感部件，在预制体织物在金属密闭腔体表面编织完成后，采用聚氨酯改性环氧树脂的真空导入方式浸渍上述织物，浸渍过程中的真空度控制在0.1MPa，固化时间为3h，固化温度为120℃，最终的多维混杂纤维增强树脂基复合材料刚性层的树脂基体含量控制在44％；

在多维编织复合材料刚性层制备好之后，在表面选用T300碳纤维为主纤维，玻璃纤维为混杂纤维，预先浸渍不饱和聚酯树脂，主纤维与混杂纤维的比例在10:1，缠绕角度在35°，采用二维缠绕方式制备强化层，强化层的厚度为刚性层厚度的1.5倍，在缠绕并浸渍树脂之后采用固化时间为2h，固化温度为130℃的成型方式最终形成强化层复合材料；

在二维强化复合材料层制备完毕之后，在最外层采用三维五向的织物结构制备多维T700碳纤维预制体，之后将整个壳体预成型样品置于密闭模具内，采用注射成型方式，将聚硫橡胶橡胶熔融体注射到碳纤维预制体织物内部，橡胶冷却固化形成厚度为3mm的表面防渗层。

实施例4：

本实用新型具体实施例的壳体结构由内到外由金属密闭腔体、多维混杂纤维增强树脂基复合材料刚性层、二维缠绕混杂纤维增强树脂基复合材料强化层以及最外层的多维碳纤维增强橡胶基体防渗层组成；

最内层为直径42cm、长度3米的钛合金圆柱腔体；

采用三维六向织物结构制备多维混杂纤维增强树脂基复合材料刚性层，其中混杂织物以T700碳纤维为主体纤维，以碳化硼纤维为辅助纤维，碳纤维与辅助纤维例为6:1，在混杂多维织物中选用8-10μm的单模光纤的高传导玻璃纤维混杂作为智能传感部件，在预制体织物在金属密闭腔体表面编织完成后，采用聚苯硫醚改性聚醚醚酮树脂的真空导入方式浸渍上述织物，浸渍过程中的真空度控制在0.1MPa，固化时间为2h，固化温度为125℃，最终的多维混杂纤维增强树脂基复合材料刚性层的树脂基体含量控制在30％；

在多维编织复合材料刚性层制备好之后，在表面选用T300碳纤维为主体纤维，玻璃纤维为混杂纤维，预先浸渍酚醛树脂，主纤维与混杂纤维的比例在5:1，缠绕角度在25°，采用二维缠绕方式制备强化层，强化层的厚度为刚性层厚度的1.5倍。在缠绕并浸渍树脂之后采用固化时间为2h，固化温度为133℃的成型方式最终形成强化层复合材料；

在二维强化复合材料层制备完毕之后，在最外层采用三维四向的织物结构制备多维T300碳纤维预制体，之后将整个壳体预成型样品置于密闭模具内，采用注射成型方式，将丁苯橡胶橡胶熔融体注射到碳纤维预制体织物内部，橡胶冷却固化形成厚度为6mm的表面防渗层。

在本实用新型中，制备方法的条件不同，得到的智慧型AUV壳体的性能会有不同，为更好地证明本实用新型的耐压性、防渗性、防冲击和耐腐蚀性，构建如下对比例1：

对比例1：

取与实施例4中尺寸大小和厚度均相同的现有技术中金属材质配合表面的防锈涂层。

将实施例1-实施例4以及对比例1均放置在具有一定压力的水下模拟环境中进行防渗性和耐腐蚀性能检测，并按照GB 11632-1989等标准进行耐压性、防冲击性能检测，结果见表1：

表1

检验项目	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	对比例1
						耐压强度，MPa	320	331	361	348	56
渗漏情况	无渗漏	无渗漏	无渗漏	无渗漏	有渗漏
						凹痕深度，mm	2.15	2.31	1.78	2.40	12.02
腐蚀情况	无腐蚀	无腐蚀	无腐蚀	无腐蚀	腐蚀明显

由表1可知，本实用新型的智慧型AUV壳体与对比例相比，其耐压性、防渗性、防冲击性和耐腐蚀性能均远远大于对比例1，可以说明，本实用新型的智慧型AUV壳体具有较好的耐压性、防渗性、防冲击和耐腐蚀性，由表1还可以看出，实施例3的性能最好；

另外，本实用新型中还设置有智能传感部件光纤，可实时感应和监控AUV壳体不同位置的水压变化和水下冲击变化，有效保证了壳体结构的安全性和结构稳定性。

以上所述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所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种智慧型AUV壳体结构，其特征在于，由内到外依次包括金属密闭腔体、刚性层、强化层和防渗层，其中：

所述刚性层为多维混杂纤维增强树脂基复合材料刚性层，所述刚性层采用混杂纤维三维编织预制体织物结构增强高性能树脂基体构成，所述刚性层的三维编织预制体织物结构中混杂有光纤；

所述强化层为二维缠绕混杂纤维增强树脂基复合材料强化层，所述强化层采用二维缠绕的方式设置在所述刚性层的表面；

所述防渗层为多维碳纤维增强橡胶基防渗层，所述防渗层采用碳纤维三维编织织物结构与高强度橡胶复合而成。

2.根据权利要求1所述的智慧型AUV壳体结构，其特征在于，所述金属密闭腔体采用圆柱体形式，所述金属密闭腔体的直径为10-50cm，长度为1-5m；

所述金属密闭腔体的材质为铝合金、钛合金或镁铝合金。

3.根据权利要求2所述的智慧型AUV壳体结构，其特征在于，所述光纤为8-10μm的单模光纤或50-60μm的多模光纤。

4.根据权利要求3所述的智慧型AUV壳体结构，其特征在于，所述强化层的厚度为刚性层厚度的0.5-2倍，所述防渗层的厚度为3-6mm。

5.根据权利要求4所述的智慧型AUV壳体结构，其特征在于，所述刚性层中三维编织预制体织物结构采用三维四向、三维五向、三维六向或三维七向；

刚性层中的混杂纤维包括主体纤维和辅助纤维，所述主体纤维为碳纤维，辅助纤维为氧化铝、碳化硅、碳化硼、玄武岩或玻璃纤维。

6.根据权利要求5所述的智慧型AUV壳体结构，其特征在于，所述刚性层中的树脂基体为热塑性树脂改性环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂或聚醚醚酮树脂，其中，热塑性树脂改性体为聚乙烯、聚丙烯、聚苯硫醚或聚氨酯。

7.根据权利要求6所述的智慧型AUV壳体结构，其特征在于，所述防渗层中三维编织织物结构为三维四向、三维五向、三维六向或三维七向，所述防渗层中橡胶基体为丁苯橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶、聚硫橡胶或聚氨酯橡胶。