CN214824006U - 一种水下机器人用碳纤维复合耐压舱体 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种水下机器人用碳纤维复合耐压舱体,属于水下机器人耐压舱体技术领域。该耐压舱体包括圆柱形耐压舱体、密封件和端盖,所述圆柱形耐压舱体包括复合材料筒体、端环和防水涂层,复合材料筒体的两个端面粘接端环,复合材料筒体和端环的外表面设有防水涂层;所述端盖与圆柱形耐压舱体通过密封圈进行密封连接。本实用新型针对水下机器人作业深度变化明显且反复的工作特点,在复合材料筒体两端粘接金属端环用于形成结构密封面,进而实现与两侧端盖的轴向、径向双结构密封,并对端盖与舱体配合处的应力集中现象进行了改善。本实用新型采用了优化后的缠绕工艺和复合材料低损高效加工技术,满足强度及稳定性要求。
Description
技术领域
本实用新型涉及水下机器人耐压舱体技术领域,具体地说是一种水下机器人用碳纤维复合耐压舱体。
背景技术
水下机器人是一种新型的海洋环境自主观测平台。它通常是通过调节自身浮力的微小变化提供驱动力,通过水平翼、垂直舵或内置的姿态调节结构调整姿态角,从而实现滑翔运动。由于调整净浮力和姿态角仅消耗少量能源,因此水下机器人具有航行效率高、续航能力强的优点。耐压舱体是水下机器人的重要部件,起到了承受外界海水压力、保护舱内元器件的关键作用。其形状通常为圆筒形,常规材料为轻质铝合金。但随着水下机器人作业深度的增加,耐压舱体需要承受的压力随之增加,其筒壁的厚度也随之增加。这将增大水下机器人的重量和体积,或压缩内部元器件的布置空间和使用范围,无法满足水下机器人长续航力需求。因此,开发一种轻质、高强度、高稳定性的、用于水下机器人的新型材料耐压舱体具有重要意义。
复合材料是人们运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料,由基体材料和增强材料组成。其中碳纤维复合材料通常以树脂为基体,以碳纤维织物为增强体,具有比强度高、比刚度高及可设计的特点,得到了广泛应用。碳纤维复合材料一般通过模压成型技术、层压成型技术和缠绕成型技术制备。其中缠绕成型技术具有制备纤维体积含量高、可改变纤维缠绕角度和生产效率高的优点,适用于圆柱形、圆筒形等回转体构件。但仅通过该技术制备的碳纤维耐压舱体不具备防水性,限制了复合材料在受外部高压工况下的应用。
同时,由于碳纤维复合材料的界面结构是由树脂基体、界面相和碳纤维组成,而碳纤维表面光滑、呈惰性,树脂对碳纤维表面的浸润性差,使得界面剪切强度低、缺陷多,从而导致复合材料层间性能差。尤其在水下机器人作业过程中的大范围交变应力作用下无法表现出良好的力学性能,限制了碳纤维复合材料在水下机器人领域中的应用。
此外,水下机器人进行深海剖面作业过程中会因海水密度的变化造成浮力损失。由于复合材料各向异性,用其制备的耐压舱体具有可设计性,在保证舱体强度及稳定性的基础上,在对纤维的铺层方式、角度及顺序进行优化设计上缺乏面向水下机器人的应用成果,同样限制了复合材料在水下机器人领域中的应用。
目前,尚未有一种结合水下机器人作业深度变化明显且反复的工作特点、使用复合材料为主材料的耐压舱体。
实用新型内容
针对现有技术中存在的上述不足之处,本实用新型的目的在于提供一种水下机器人用碳纤维复合耐压舱体,该耐压舱体结构稳定可靠、密封性能好,可改善水下机器人中端盖与舱体配合处的应力集中现象;防水涂层满足水下机器人对其有效防水、防腐、抗冲击、耐磨损等需求;纤维缠绕工艺中铺层顺序及角度合理,满足水下机器人对其强度和稳定性的要求,能补偿水下机器人作业时由于密度变化造成的浮力损失;该耐压舱体适用于水下机器人长期工作中的高压、低温、交变应力且具有侵蚀作用的海洋环境。
本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的:
一种水下机器人用碳纤维复合耐压舱体,该耐压舱体包括圆柱形耐压舱体、密封件和端盖,所述圆柱形耐压舱体包括两端开口的复合材料筒体、端环和防水涂层,复合材料筒体的两个端面通过粘接剂连接端环,复合材料筒体和端环的外表面设有防水涂层;所述密封件包括O型轴向密封圈和O型径向密封圈;所述端盖与圆柱形耐压舱体通过O型轴向密封圈和O型径向密封圈进行密封连接;所述防水涂层包括由外至内依次复合的面漆、中间漆和底漆,所述底漆均匀喷涂在端环与复合材料筒体的外圆柱面上直至指定厚度,所述中间漆均匀喷涂在固化后的底漆上直至指定厚度,所述面漆均匀喷涂在固化后的中间漆上直至指定厚度。
所述复合材料耐压舱体能够补偿在水下机器人工作区域所接触的海水密度变化造成的浮力损失。
所述圆柱形耐压舱体中,复合材料筒体材质为环氧树脂基碳纤维增强复合材料,所述端环材质为铝合金或钛合金。
所述防水涂层具有防水、防腐蚀、抗冲击、耐磨损性能,防水涂层厚度为1-2mm;防水涂层中所述面漆为聚氨酯面漆,面漆具有高粘接强度和良好的防水、抗冲击、耐磨损性能;所述中间漆材质为环氧云铁中间漆,中间漆具有高粘接强度和良好的封闭性能;所述底漆材质为环氧底漆,底漆具有高粘接强度和良好的柔韧性能。
所述圆柱形耐压舱体满足水下机器人工作时对其强度和稳定性要求。
所述密封件中O型轴向密封圈和O型径向密封圈材质为丁腈橡胶;所述端盖材质为铝合金或钛合金。
所述端盖为半球形,设有止口和O型密封圈对应的密封槽,并在止口与圆柱形耐压舱体配合处设有能降低耐压舱体径向刚度变化梯度的径向缓冲段结构;所述径向缓冲段结构是指所述端盖在复合材料筒体内侧的部分由外至内的厚度呈梯度减小方式变化;该径向缓冲段结构可以有效缓冲耐压舱体在端盖附近径向刚度的变化,能提升耐压舱体在水下机器人深度变化明显且反复产生的交变载荷作用下的可靠性。
所述复合材料筒体是由T700碳纤维丝密排缠绕形成的多层结构,其中:最内层和次内层的碳纤维丝缠绕方向为筒体径向,第三层碳纤维丝缠绕方向与筒体轴向呈5-20°角度,第四和第五层碳纤维丝缠绕方向为筒体径向,第六层碳纤维丝缠绕方向与筒体轴向呈5-20°角度,以此方式类推直至指定层数和厚度。
所述复合材料筒体中,碳纤维丝沿径向缠绕的层数与沿与筒体轴向呈5-20°角度方向缠绕的层数比例为2:1;T700碳纤维丝表面涂覆环氧树脂胶。
本实用新型的优点与积极效果为:
1.本实用新型采用环氧树脂基碳纤维增强复合材料为耐压舱体的主材料,与传统合金材质相比可以有效降低耐压舱体的重量和体积,满足水下机器人长续航力需求。
2.本实用新型采用复合材料筒体两侧粘接端环的结构形式,在耐压舱体端面和内壁面上形成满足水下机器人密封要求的结构面,与端盖配合后可通过常规的O型密封圈进行长期可靠的结构密封。
3.本实用新型构建了由底漆、中间漆和面漆组成的三层防水涂层树脂体系,为复合材料耐压舱体外圆柱面提供良好的防水、防腐蚀、抗冲击、耐磨损性能。
4.本实用新型制备过程中采用了针对水下机器人作业深度变化明显且反复等工作特点的碳纤维缠绕方式,通过优化纤维的铺层顺序和角度提高了舱体压缩变形量,保证了舱体强度和稳定性,并优化补偿了水下机器人作业时由于密度变化造成的浮力损失,更能适应水下机器人作业过程中的大范围交变应力的受力环境。
附图说明
图1为本实用新型耐压舱体内部结构剖视图;
图2为本实用新型耐压舱体中端环粘接示意图;
其中:1为端盖,2为轴向密封圈,3为端环,4为径向密封圈,5为复合材料筒体,6为面漆,7为中间漆,8为底漆,9为辅助定位工装。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步详述。
如图1-2所示,本实用新型碳纤维复合耐压舱体包括圆柱形耐压舱体、端盖及密封件三部分。其中圆柱形耐压舱体包括端环3、复合材料筒体5及防水涂层。密封件包括轴向密封圈2及径向密封圈4。
本实用新型的圆柱形耐压舱体由端环3、复合材料筒体5及防水涂层组成,其中端环3与复合材料筒体5通过粘接剂连接,防水涂层均匀喷涂在端环3与复合材料筒体5外圆柱面处。
进一步地,所述的端环3材质为铝合金或钛合金,各表面粗糙度分别满足O型圈结构密封与粘接要求。
进一步地,所述的复合材料筒体5材质为环氧树脂基碳纤维增强复合材料,是由浸渍环氧树脂胶的T700碳纤维丝进行多层缠绕后制成,其中,浸渍环氧树脂胶的T700碳纤维丝先沿筒体径向密排缠绕最内层和次内层,再按照与筒体轴向呈5-20°角度方向缠绕第三层,再沿筒体径向密排缠绕第四和第五层;按此方式缠绕直至达到指定层数和厚度后即形成复合材料筒体。所述复合材料筒体中,碳纤维丝沿径向缠绕的层数与沿与筒体轴向呈5-20°角度方向缠绕的层数比例为2:1。碳纤维丝完成缠绕后,经固化成型后对筒体端部进行切削加工,制备成复合材料筒体。
进一步地由于复合材料耐压舱体具备可设计性,可以通过调整缠绕角度和缠绕顺序来改变筒体的力学性能,在确保耐压舱体强度和稳定性前提下,通过优化缠绕参数来提高复合材料耐压舱体的压缩变形量能够在一定程度上补偿由海水密度变化给水下机器人造成的浮力损失,为满足水下机器人长续航力需求起到了关键作用。
进一步地,所述的端环3与复合材料筒体5的粘接剂采用环氧树脂结构胶进行粘接,粘接过程中采用圆柱形辅助定位工装9来确保端环与复合材料的同轴度。
本实用新型的防水涂层由面漆6、中间漆7及底漆8组成,总厚度为1-2mm,该厚度范围可根据实际工况确定。
进一步地,所述的面漆6为聚氨酯面漆,面漆可以提供高粘接强度和良好的防水、抗冲击、耐磨损性能。
进一步地,所述的中间漆7为环氧云铁中间漆,中间漆可以提供高粘接强度和良好的封闭性能。
进一步地,所述的底漆8为环氧底漆,底漆可以提供高粘接强度和良好的柔韧性能。
本实用新型的端盖1主体为半球形,材质为铝合金或钛合金。
进一步地,端盖1设有止口,可与圆柱形耐压舱体进行间隙配合,止口和端面处分别设有O型圈对应的径向密封槽和轴向密封槽,且密封槽和配合面满足O型圈结构密封要求。
进一步地,端盖1止口与圆柱形耐压舱体配合处设有能降低耐压舱体径向刚度变化梯度的径向缓冲段结构,所述径向缓冲段结构是指所述端盖在复合材料筒体内侧的部分由外至内的厚度呈梯度减小方式变化;该径向缓冲段结构通过逐渐减少止口的厚度来使端盖1对耐压舱体的径向支撑作用逐渐降低从而有效的缓冲耐压舱体在端盖附近径向刚度的变化,有效降低了复合材料耐压舱体在端盖附近处的剪切应力,提升了耐压舱体在水下机器人深度变化明显且反复产生的交变载荷作用下的可靠性。
本实用新型的密封件由轴向密封圈2及径向密封圈4组成。
进一步地,轴向密封圈2及径向密封圈4截面为O型,材质为丁腈橡胶。
本实用新型耐压舱体主材为比强度高的复合材料,可以有效降低耐压舱体的重量和体积。本实用新型针对水下机器人作业深度变化明显且反复的工作特点,在复合材料筒体两端粘接金属端环用于形成结构密封面,进而实现与两侧端盖的轴向、径向双结构密封,并对端盖与舱体配合处的应力集中现象进行了改善。本实用新型通过构建由底漆、中间漆和面漆组成的三层防水涂层树脂体系为复合材料耐压舱体外圆柱面提供良好的防水、防腐蚀、抗冲击、耐磨损性能。本实用新型采用了优化后的缠绕工艺和复合材料低损高效加工技术,满足强度及稳定性要求。在复合材料舱体制备过程中,通过优化纤维的铺层顺序和角度来提高舱体压缩变形量,可以在一定程度上补偿由海水密度变化造成的浮力损失。本实用新型结构密封形式稳定可靠、防水涂层防腐蚀抗冲击耐磨损、复合材料舱体缠绕工艺先进,适用于水下机器人长期工作中的高压、低温、交变应力且具有侵蚀作用的海洋环境。
Claims (9)
1.一种水下机器人用碳纤维复合耐压舱体,其特征在于:该耐压舱体包括圆柱形耐压舱体、密封件和端盖(1),所述圆柱形耐压舱体包括两端开口的复合材料筒体、端环和防水涂层,复合材料筒体(5)的两个端面通过粘接剂连接端环(3),复合材料筒体(5)和端环(3)的外表面设有防水涂层;所述密封件包括O型轴向密封圈(2)和O型径向密封圈(4);所述端盖(1)与圆柱形耐压舱体通过O型轴向密封圈(2)和O型径向密封圈(4)进行密封连接;所述防水涂层包括由外至内依次复合的面漆(6)、中间漆(7)和底漆(8),所述底漆(8)均匀喷涂在端环(3)与复合材料筒体(5)的外圆柱面上直至指定厚度,所述中间漆(7)均匀喷涂在固化后的底漆(8)上直至指定厚度,所述面漆(6)均匀喷涂在固化后的中间漆(7)上直至指定厚度。
2.根据权利要求1所述的水下机器人用碳纤维复合耐压舱体,其特征在于:所述复合材料耐压舱体能够补偿在水下滑翔机工作区域所接触的海水密度变化造成的浮力损失。
3.根据权利要求1所述的水下机器人用碳纤维复合耐压舱体,其特征在于:所述圆柱形耐压舱体中,复合材料筒体(5)材质为环氧树脂基碳纤维增强复合材料,所述端环(3)材质为铝合金或钛合金。
4.根据权利要求1所述的水下机器人用碳纤维复合耐压舱体,其特征在于:所述防水涂层具有防水、防腐蚀、抗冲击、耐磨损性能,防水涂层厚度为1-2mm;防水涂层中所述面漆(6)为聚氨酯面漆,面漆(6)具有高粘接强度和良好的防水、抗冲击、耐磨损性能;所述中间漆(7)材质为环氧云铁中间漆,中间漆(7)具有高粘接强度和良好的封闭性能;所述底漆(8)材质为环氧底漆,底漆(8)具有高粘接强度和良好的柔韧性能。
5.根据权利要求1所述的水下机器人用碳纤维复合耐压舱体,其特征在于:所述圆柱形耐压舱体满足水下滑翔机工作时对其强度和稳定性要求。
6.根据权利要求1所述的水下机器人用碳纤维复合耐压舱体,其特征在于:所述密封件中O型轴向密封圈(2)和O型径向密封圈(4)材质为丁腈橡胶;所述端盖(1)材质为铝合金或钛合金。
7.根据权利要求1所述的水下机器人用碳纤维复合耐压舱体,其特征在于:所述端盖(1)为半球形,设有止口和O型密封圈对应的密封槽,并在止口与圆柱形耐压舱体配合处设有能降低耐压舱体径向刚度变化梯度的径向缓冲段结构;所述径向缓冲段结构是指所述端盖在复合材料筒体内侧的部分由外至内的厚度呈梯度减小方式变化;该径向缓冲段结构可以有效缓冲耐压舱体在端盖附近径向刚度的变化,能提升耐压舱体在水下滑翔机深度变化明显且反复产生的交变载荷作用下的可靠性。
8.根据权利要求3所述的水下机器人用碳纤维复合耐压舱体,其特征在于:所述复合材料筒体是由T700碳纤维丝密排缠绕形成的多层结构,其中:最内层和次内层的碳纤维丝缠绕方向为筒体径向,第三层碳纤维丝缠绕方向与筒体轴向呈5-20°角度,第四和第五层碳纤维丝缠绕方向为筒体径向,第六层碳纤维丝缠绕方向与筒体轴向呈5-20°角度,以此方式类推直至指定层数和厚度。
9.根据权利要求3所述的水下机器人用碳纤维复合耐压舱体,其特征在于:所述复合材料筒体中,碳纤维丝沿径向缠绕的层数与沿与筒体轴向呈5-20°角度方向缠绕的层数比例为2:1;T700碳纤维丝表面涂覆环氧树脂胶。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20211123 |