碳纖維耐壓艙的應用

深海無人潛水器系統中，耐壓密封艙的材料選擇與設計制造是關系到潛水器體積、重量等性能指標甚至成敗的重要因素。隨著深度的增加，傳統的金屬材料耐壓密封艙質量體積比也不斷增加，潛水器需要更多的浮力材料來實現其在水中的平衡，進而造成潛水器重量、體積越來越龐大。在此背景下，深海無人潛水器系統中，耐壓密封艙的材料選擇與設計制造是關系到潛水器體積、重量等性能指標甚至成敗的重要因素。隨著深度的增加，傳統的金屬材料耐壓密封艙質量體積比也不斷增加，潛水器需要更多的浮力材料來實現其在水中的平衡，進而造成潛水器重量、體積越來越龐大。

圍繞國家海洋戰略規劃，針對水下4000m無人潛水器對輕質、高強度、高穩定性耐壓結構體關鍵部件的迫切需求，研制滿足4000m使用條件的圓柱形耐壓結構體，通過對水下4000m無人潛水器的壓力測試，提供一種有效的水下4000m無人潛水器關鍵部件解決方案，為國家海洋戰略的順利實施提供關鍵材料、技術和裝備支撐。

水下4000m無人潛水器的結構由端蓋、金屬連接環和復合材料筒體組成。密封、金屬端蓋與復合材料筒體連接及復合材料筒體設計為該潛水器的研制難點，本文僅針對復合材料的筒體及金屬端蓋的設計展開研究。

水下潛水器主要承受外壓載荷，需要考慮強度及穩定性的需要。當考慮強度時，由于外壓的作用使得復合材料筒體經線及緯線的受力比約為1:2，考慮強度需要使用0°纖維與90°纖維的比約為1：2。目標為水下4000m使用，安全系數為1.2倍，設計壓力48Mpa。

由于復合材料筒體使用纏繞工藝，纏繞機不能纏繞0°纖維，需要小角度纏繞，所以小角度的纖維比略大于1：2。在考慮穩定性時，由于周向的表面積大于軸向的表面積需要繼續增加90°的纏繞層比例。在經過多次設計后，選取25mm厚度進行設計。

由于金屬端蓋與復合材料連接區域存在幾何不連續，在承受外壓載荷時，連接區域存在應力集中現象，對金屬端蓋進行設計可緩解應力集中現象，使設計更為合理。從纖維受力分析可看出，纖維縱向壓縮為519MPa，纖維許用值為900MPa，預計破壞載荷為83.2MPa。屈曲系數為2.46，根據以往經驗線性屈曲系數取1.4，折算出屈曲載荷為84.3MPa，破壞強度與失穩系數相當。

經過設計與纏繞工藝成型，制作成25mm壁厚的復合材料耐壓殼體，通過試驗最終爆破強度為90Mpa。滿足48Mpa的使用載荷，并且與預計爆破載荷83.2MPa的誤差為7.6%。認為設計合理可信。

本文通過對4000m級的水下復合材料殼體的設計，總結出適用于承受水下外壓下的復合材料耐壓殼體的結論：根據使用工況及經濟性，4000m級水下耐壓殼體設計為強度破壞的，可以選用T700級的碳纖維；設計為屈曲破壞的，可以考慮高模碳纖維，鈦合金的電化學腐蝕性能及強度均好于鋁合金，本方案選擇T700碳纖維及鈦合金方案。

由于金屬端蓋與復合材料筒體相連接，在連接區域存在幾何非線性，承受外壓時會形成應力集中現象，不同的封頭形式對復合材料筒體形成的應力集中不同，通過對封頭形式的設計能夠有效緩解應力集中現象，使破壞載荷提高。耐壓殼體在承受外壓時，復合材料筒體與金屬端蓋的連接區域，不僅存在薄膜力還存在面外內力矩的作用，薄膜力使復合材料筒體承受壓應力，面內外力矩使復合材料筒體承受彎矩載荷。通過復合材料筒體鋪層順序調整可以緩解彎矩引起的應力集中，使破壞載荷提高。