一种深海长期工作耐压复合结构及其制造方法
阅读说明：本技术 一种深海长期工作耐压复合结构及其制造方法 (Pressure-resistant composite structure for long-term operation in deep sea and manufacturing method thereof ) 是由 吴健 李泓运 王纬波 张彤彤 李永胜 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种深海长期工作耐压复合结构及其制造方法,包括金属封头,所述金属封头的外形为双曲率回转体一部分,所述金属封头的上部通过金属预置件配合安装碳纤维耐压壳体,所述金属封头、金属预置件和碳纤维耐压壳体组合安装后形成椭圆形的双曲率回转体结构,金属封头和金属预置件之间采用锥面密封,并利用螺栓和防松垫片锁紧,碳纤维耐压壳体的外面涂覆有聚脲防水涂层。本发明具有重量轻、密封性、耐久性好等优点,可显著提高深海装备的有效载荷；该结构呈现一端尖、一端钝的完整的流线型外形,在水中垂直运动时阻力小；在深海工作中保持尖端向上,有利于降低结构的声目标特性；本发明中的复合结构制造方法具有成本低的优势。(The invention relates to a pressure-resistant composite structure for long-term work in deep sea and a manufacturing method thereof, and the pressure-resistant composite structure comprises a metal end enclosure, wherein the shape of the metal end enclosure is a part of a double-curvature revolving body, a carbon fiber pressure-resistant shell is installed on the upper part of the metal end enclosure in a matching manner through a metal preset part, the metal end enclosure, the metal preset part and the carbon fiber pressure-resistant shell are combined and installed to form an elliptical double-curvature revolving body structure, the metal end enclosure and the metal preset part are sealed by adopting conical surfaces and locked by utilizing bolts and anti-loosening gaskets, and the outer surface of the carbon fiber pressure-resistant shell is coated with a polyurea waterproof coating. The invention has the advantages of light weight, good sealing performance and durability, and the like, and can obviously improve the effective load of deep sea equipment; the structure has a complete streamline shape with one sharp end and one blunt end, and has small resistance when vertically moving in water; the pointed end is kept upward in the deep sea work, so that the acoustic target characteristic of the structure is favorably reduced; the composite structure manufacturing method has the advantage of low cost.)
技术领域
本发明涉及深海耐压结构技术领域，尤其是一种深海长期工作耐压复合结构及其制造方法。
背景技术
深海耐压结构是深海水下装备的重要组成部分，起着保障内部设备正常工作和人员健康的作用。
耐压壳的设计对水下装备的安全性、运载能力和人机环境等性能具有重要影响。耐压壳是承受静水压力的结构，要求其具有良好的安全性、储备浮力、空间利用率等特性，以提升潜水器的综合性能。
深海耐压壳以往多设计为球形结构、圆柱形结构，在结构尺寸较小时一般不采用加筋结构，其中球形结构具有强度高、稳定性好、浮力系数低、材料利用率高等优点，圆柱形结构具有空间布置效率高优点，随着直径增大，往往需要环向加强才能满足深海的要求。目前的深海金属耐压结构往往总质量较大，无法携带足够的有效载荷，为了满足浮力要求，需要在耐压结构外侧挂载大量的深海浮力材料，给操作带来了麻烦。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种深海长期工作耐压复合结构及其制造方法，从而使其具有重量轻、密封性、耐久性好等优点，并可显著提高深海装备的有效载荷。
本发明所采用的技术方案如下：
一种深海长期工作耐压复合结构，包括金属封头，所述金属封头的外形为双曲率回转体一部分，所述金属封头的上部通过金属预置件配合安装碳纤维耐压壳体，所述金属封头、金属预置件和碳纤维耐压壳体组合安装后形成椭圆形的双曲率回转体结构，金属封头和金属预置件之间采用锥面密封，并利用螺栓和防松垫片锁紧，碳纤维耐压壳体的外面涂覆有聚脲防水涂层。
其进一步技术方案在于：
所述金属封头的结构为：包括顶部为敞口的封头本体，所述封头本体的圆周方向设置有台阶，并形成锥形的第一配合面和水平的第二配合面，所述第一配合面上开有密封件安装槽，所述密封件安装槽内安装O形密封圈，所述第二配合面上开有锁紧孔。
所述金属预置件的结构为：包括环形结构的预置件本体，所述预置件本体，所述预置件本体的下方设置有与金属封头配合安装的内圆锥面，以及下平面，所述下平面上开有固定孔；所述预置件本体的上方设置有外圆锥面和上平面，所述外圆锥面和上平面与碳纤维耐压壳体匹配。
所述金属封头、螺栓和放松垫片均采用钛合金材料。
所述聚脲防水涂层的厚度为0.2-0.3mm。
所述金属封头和金属预置件由数控机床一次性加工成型。
一种深海长期工作耐压复合结构的制造方法，包括如下操作步骤：
第一步：利用数控机床将金属封头和金属预置件加工成型；
第二步：制作复合材料耐压壳体，采用石膏芯模，将石膏预制成碳纤维耐压壳体内部型线要求的内部模具，并在内部模具中间固定一根轴，轴的直径为D；
第三步：按照耐压结构的外形特征将耐压壳沿对称面展开成两个相同大小的平面，随着厚度增大，平面相应增大；由于采用的是碳纤维布，对于端部连接过渡处，将纤维展开成圆形碳纤维布，D1由圆弧过渡段的长度决定，D2小于金属预置件的最小直径，并大于轴的直径D。
作为上述技术方案的进一步改进：
裁剪碳纤维布，保持长轴方向和纤维0°相同，或者根据计算结果将长轴与纤维方向偏移一个角度；
第五步：用砂纸打毛内部模具的表面，并用酒精清洗干净；在内部模具表面采用手糊工艺铺叠两层碳纤维布，接缝90度错开，并固化；
第六步：继续将碳纤维布交错铺放到石膏芯模上，利用中心轴确定接缝的位置，每层接缝处呈θ角错开，最终将接缝处均匀分布在壳体一周上；
第七步：采用真空导入工艺、RTM工艺导入树脂工艺，或热压罐工艺，进行高温固化；
第八步：从金属预置件端进行开口，开口小于金属预置件的最小直径，取出内部的石膏芯模；
第九步：修整碳纤维耐压壳体的开口，使之与金属预置件的外形锥度一致，并进行粘接，粘接时需要外加压力压紧；
第十步：采用砂纸打磨碳纤维耐压壳体的表面，保证结构的外形满足设计外形曲线要求；
第十一步：采用酒精清洗表面，然后在碳纤维耐压壳体表面及与金属件的粘接缝处均匀涂覆聚脲防水层；
第十二步：清理金属预置件的外锥面，并与金属封头的锥面进行研配，确保具有锥面密封能力；
第十三步：最后在金属封头上安装O形密封圈、螺栓、防松垫片，依次拧紧螺栓，保证各螺栓的扭矩相同；
第十四步：耐压结构下水时，采用螺栓将O型密封圈压紧，提供初始密封；随着水压增加，依靠金属锥面之间形成机械密封。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过金属封头、金属预制件、碳纤维耐压壳体、聚脲防水涂层组成耐压复合结构，其中复合材料和预置金属件、预置金属件和金属封头之间采用锥形面连接，在深海水压条件下长期工作时具有较好的密封能力，并且随着水压增加密封效果更好。
本发明所述的耐压复合结构件呈现一端尖、一端钝的完整的流线型外形，在水中垂直运动时阻力小；在深海工作中保持尖端向上，有利于降低结构的声目标特性；本发明中的复合结构制造方法具有成本低的优势。
本发明用于在深海长期工作装备的耐压保护结构，具有重量轻、密封性、耐久性好等优点，可显著提高深海装备的有效载荷，具备长期工作的能力。
本发明采用复合材料具有比强度、比刚度高、材料可设计等优点，应用复合材料后可以实现结构轻量化，可以显著降低耐压结构的重量排水比，能够携带更多的有效载荷。
本发明可用于深海环境条件下设备搭载，并在深海长期工作。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1中A部的局部放大图。
图3为本发明金属封头的主视图。
图4为图3中沿B-B截面的全剖视图。
图5为本发明的金属预置件的主视图。
图6为图5中C-C截面的全剖视图。
图7为本发明内部模具的结构示意图。
图8为本发明碳纤维布的结构示意图。
图9为本发明碳纤维布展开的状态图。
图10为本发明碳纤维布交替铺层示意图。
其中：1、金属封头；2、O形密封圈；3、螺栓；4、防松垫片；5、金属预置件；6、碳纤维耐压壳体；7、聚脲防水涂层；8、内部模具；9、轴；10、碳纤维布；
101、封头本体；102、锁紧孔；103、第一配合面；104、密封件安装槽；105、第二配合面；
501、预置件本体；502、固定孔；503、内圆锥面；504、外圆锥面；505、下平面；506、上平面。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1-图10所示，本实施例的深海长期工作耐压复合结构，包括金属封头1，金属封头1的外形为双曲率回转体一部分，金属封头1的上部通过金属预置件5配合安装碳纤维耐压壳体6，金属封头1、金属预置件5和碳纤维耐压壳体6组合安装后形成椭圆形的双曲率回转体结构，金属封头1和金属预置件5之间采用锥面密封，并利用螺栓3和防松垫片4锁紧，碳纤维耐压壳体6的外面涂覆有聚脲防水涂层7。
金属封头1的结构为：包括顶部为敞口的封头本体101，封头本体101的圆周方向设置有台阶，并形成锥形的第一配合面103和水平的第二配合面105，第一配合面103上开有密封件安装槽104，密封件安装槽104内安装O形密封圈2，第二配合面105上开有锁紧孔102。
金属预置件5的结构为：包括环形结构的预置件本体501，预置件本体501，预置件本体501的下方设置有与金属封头1配合安装的内圆锥面503，以及下平面505，下平面505上开有固定孔502；预置件本体501的上方设置有外圆锥面504和上平面506，外圆锥面504和上平面506与碳纤维耐压壳体6匹配。
金属封头1、螺栓3和防松垫片4均采用钛合金材料。
聚脲防水涂层7的厚度为0.2-0.3mm。
金属封头1和金属预置件5由数控机床一次性加工成型。
本实施例的深海长期工作耐压复合结构的制造方法，包括如下操作步骤：
第一步：利用数控机床将金属封头1和金属预置件5加工成型；
第二步：制作复合材料耐压壳体，采用石膏芯模，将石膏预制成碳纤维耐压壳体6内部型线要求的内部模具8，并在内部模具8中间固定一根轴9，轴9的直径为D；
第三步：按照耐压结构的外形特征将耐压壳沿对称面展开成两个相同大小的平面，随着厚度增大，平面相应增大；由于采用的是碳纤维布10，对于端部连接过渡处，将纤维展开成圆形碳纤维布10，D1由圆弧过渡段的长度决定，D2小于金属预置件5的最小直径，并大于轴9的直径D。
裁剪碳纤维布10，保持长轴方向和纤维0°相同，或者根据计算结果将长轴与纤维方向偏移一个角度；
第五步：用砂纸打毛内部模具8的表面，并用酒精清洗干净；在内部模具8表面采用手糊工艺铺叠两层碳纤维布10，接缝90度错开，并固化；
第六步：继续将碳纤维布10交错铺放到石膏芯模上，利用中心轴确定接缝的位置，每层接缝处呈θ角错开，最终将接缝处均匀分布在壳体一周上；
第七步：采用真空导入工艺、RTM工艺导入树脂工艺，或热压罐工艺，进行高温固化；
第八步：从金属预置件5端进行开口，开口小于金属预置件5的最小直径，取出内部的石膏芯模；
第九步：修整碳纤维耐压壳体6的开口，使之与金属预置件5的外形锥度一致，并进行粘接，粘接时需要外加压力压紧；
第十步：采用砂纸打磨碳纤维耐压壳体6的表面，保证结构的外形满足设计外形曲线要求；
第十一步：采用酒精清洗表面，然后在碳纤维耐压壳体6表面及与金属件的粘接缝处均匀涂覆聚脲防水涂层7；
第十二步：清理金属预置件5的外锥面，并与金属封头1的锥面进行研配，确保具有锥面密封能力；
第十三步：最后在金属封头1上安装O形密封圈2、螺栓3、防松垫片4，依次拧紧螺栓3，保证各螺栓3的扭矩相同；
第十四步：耐压结构下水时，采用螺栓3将O形密封圈2压紧，提供初始密封；随着水压增加，依靠金属锥面之间形成机械密封。
本发明所述的深海长期工作耐压复合结构的具体形式为：
包括：金属封头1、O形密封圈2、螺栓3、防松垫片4、金属预置件5、碳纤维耐压壳体6、聚脲防水涂层7。
金属封头1的外形为类椭圆的双曲率回转体一部分，与金属预置件5和碳纤维耐压壳体6组合后形成完成的类椭圆的双曲率回转体。金属封头1的内部为锥面，用于与金属预置件5的锥面密封连接，锥面角度需根据有限元数值计算后确定，一般为60°左右。为了在深海长期工作，金属封头1采用钛合金材料制造，在金属封头1的锥面上开有密封件安装槽104，一周均布锁紧孔102。
螺栓3为标准件，采用钛合金材料。
防松垫片4采用NORD-LOCK防松垫圈，选用钛合金材料。
如图5和图6所示，金属预置件5的外形为类椭圆的双曲率回转体一部分，与金属封头1和碳纤维接触部分均为锥面。在金属预置件5上一周均布固定孔502，固定孔502的位置与金属封头1的锁紧孔102对应。
碳纤维耐压壳体6采用0/90的斜纹布制成。为防渗漏并提高结构强度，降低工艺和缺陷对结构的影响，总层数不得少于50层。也可采用其它的碳纤维布10或铺层角度，具体应通过有限元校核后确定布的形式、铺层角度及壳体厚度。
聚脲防水涂层7为防水层，待碳纤维耐压壳体6加工完成后涂覆，厚度为0.2-0.3mm。
金属封头1和金属预置件5由数控机床加工成型。
在制作复合材料耐压壳体时采用石膏芯模，将石膏预制成耐压壳内部型线要求的模具，将耐压壳外形展开成两个平面，交错铺放到石膏芯模上，将碳纤维布10的接缝均匀分布在耐压壳的一周，采用真空导入工艺或RTM工艺导入树脂，高温固化后从金属预置件5端开口，取出内部的芯模；修整碳纤维耐压壳的开口，使之与金属预置件5的外形一致，并进行粘接；在碳纤维耐压壳体6表面及与金属件的粘接缝处均匀涂覆聚脲防水层；最后安装金属封头。
本实施例的深海长期工作耐压复合结构制造方法，包括如下操作步骤：
(一)金属封头1和金属预置件5由数控机床加工成型；
(二)在制作复合材料耐压壳体时采用石膏芯模，将石膏预制成耐压壳内部型线要求的内部模具8，并在内部模具8中间固定一根轴9，轴的直径为D；
(三)按照耐压结构的外形特征将耐压壳沿对称面展开成两个相同大小的平面。随着厚度增大，平面相应增大；由于采用的是碳纤维布10，对于端部连接过渡处，将纤维展开成圆形碳纤维布10，D1由圆弧过渡段的长度决定，D2小于金属预置件5的最小直径，并大于轴的直径D。
(四)根据展开的平面图，裁剪碳纤维布10。保持长轴方向和纤维0°相同，或者根据计算结果将长轴与纤维方向偏移一个角度；
(五)用砂纸打毛模具表面，并用酒精清洗干净。在模具表面采用手糊工艺铺叠两层碳纤维布10，接缝90度错开，并固化。用以加固石膏模具，使得模具能够承受真空导入工艺或RTM工艺的压力；
(六)继续将交错铺放到石膏芯模上，利用中心轴确定接缝的位置。每层接缝处呈θ角错开，θ建议取60°-70°，最终将接缝处均匀分布在壳体一周上；
(七)采用真空导入工艺、RTM工艺导入树脂工艺，或热压罐工艺，高温固化。如果碳纤维耐压壳的厚度超过20mm，需要分多次固化成型，单次成型厚度不超过20mm。优先推荐使用热压罐工艺。
(八)从金属预置件5端开口，开口小于金属预置件5的最小直径，取出内部的石膏芯模；
(九)修整碳纤维耐压壳的开口，使之与金属预置件5的外形锥度一致，并进行粘接，粘接时需要外加压力压紧；
(十)采用砂纸打磨碳纤维耐压壳的表面，保证结构的外形满足设计外形曲线要求；
(十一)采用酒精清洗表面，然后在碳纤维耐压壳体6表面及与金属件的粘接缝处均匀涂覆聚脲防水层，厚度为0.2-0.3mm；
(十二)清理金属预置件5的外锥面，并与金属封头1的锥面进行研配，确保具有锥面密封能力。
(十三)最后在金属封头上安装O形密封圈2、螺栓3、防松垫片4，依次拧紧螺栓，保证各螺栓3的扭矩相同。
(十四)该耐压结构下水时，采用螺栓3将O形密封圈2压紧，提供初始密封；随着水压增加，依靠金属锥面之间形成机械密封。
本发明提出一种深海长期工作耐压复合结构及其制造方法，该结构的外形为双曲率曲线的回转体，介于球形和圆柱形之间；该耐压复合结构由金属预置件5、碳纤维耐压壳体6、金属封头1、O形密封圈2、聚脲防水涂层7组成，其中碳纤维部分为等厚度、无加强筋形式；为了长期水下工作，重点应用了锥形面机械密封，这是和其它水下复合耐压结构的显著区别；本发明提出耐压复合结构的制造方法，具有成本低优势。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。
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