一種復(fù)合材料耐壓殼體及其成型方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種復(fù)合材料耐壓殼體及其成型方法，該方法采用金屬與聚合物基制成能夠在水下大深度下正常工作，且不發(fā)生明顯形變的耐壓殼體，該耐壓殼體在滿足強(qiáng)度和剛度的條件下重量輕。采用該方法成型的耐壓殼體包括金屬骨架，以及一次布設(shè)在金屬骨架外的第一玻璃鋼層、鈦絲繞制層、第二玻璃鋼層、碳纖維層和防護(hù)層。采用金屬框架結(jié)構(gòu)一是可作為耐壓殼體的骨架，二是可減輕整體結(jié)構(gòu)的重量。采用不同性能及特點(diǎn)的材料制成的整體構(gòu)件，可保證其內(nèi)部應(yīng)力均勻分布，又能使其承受一定的外力沖擊。
【專利說明】一種復(fù)合材料耐壓殼體及其成型方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種耐壓殼體及其成型方法，具體涉及一種復(fù)合材料耐壓殼體成型及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]為維護(hù)國家海洋權(quán)益，發(fā)展軍民兼用的海洋高技術(shù)裝備是當(dāng)務(wù)之急。從近幾年國內(nèi)外發(fā)展趨勢來分析，研發(fā)一種能在水下幾千米深度使用、具有對深海地表或地層進(jìn)行探測、收集相關(guān)海洋數(shù)據(jù)的裝備非常重要。
[0003]目前，世界各大淺海油田及大陸架油田得到了充分地開發(fā)，各國油氣開發(fā)逐漸向深海地區(qū)推進(jìn)，獲得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。然而我國海上勘探與開發(fā)主要在近海大陸架較淺的海域，因此為盡快進(jìn)行深海海域勘探開發(fā)，大幅度增加海上油氣產(chǎn)量勢在必行。我國南海北部的大陸架和南沙海域，已勘探到有著豐富的油氣資源，蘊(yùn)藏量相當(dāng)于目前我國沿海大陸架油氣蘊(yùn)藏量的1.5倍。從另一方面分析，就當(dāng)前技術(shù)來說，由于水下航行器殼體承壓能力的限制，我們還不具備走向深水的能力，與世界深水技術(shù)的發(fā)展相比還存在著很大差距。
[0004]為此有必要開發(fā)出一種能在水下具備探測、偵察與反偵察的航行器，同時要求其在水下運(yùn)動靈活、自身隱蔽性強(qiáng)，且具備一定抗沖擊能力。要求航行器殼體應(yīng)具備重量輕，抗壓能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明提供一種復(fù)合材料耐壓殼體及其成型方法，該耐壓殼體能夠在水下大深度下正常工作，且不發(fā)生明顯形變，同時保證其在滿足強(qiáng)度和剛度的條件下重量輕。
[0006]所述復(fù)合材料耐壓殼體包括:由兩個法蘭、兩個以上縱支撐肋和兩個以上支撐環(huán)組成的金屬骨架；以及依次布置在金屬骨架外圓周的第一玻璃鋼層、鈦絲繞制層、第二玻璃鋼層、碳纖維層和防護(hù)層；其中所述兩個法蘭同軸放置，在兩個法蘭之間沿周向均勻分布兩個以上縱支撐肋，所述縱支撐肋的兩端分別與兩個法蘭連接；在兩個法蘭之間沿均勻軸向分布兩個以上支撐環(huán)，所述支撐環(huán)與縱支撐肋連接。
[0007]該復(fù)合材料耐壓殼體的成型方法為:
[0008]步驟一、制作由法蘭、縱支撐肋和支撐環(huán)組成的金屬骨架；
[0009]所述法蘭先采用鍛造工藝制成半成品后，再采用機(jī)加工工藝制成成品；然后將兩個法蘭同軸布置，在兩個法蘭之間沿周向均勻布置兩個以上縱支撐肋，所述縱支撐肋的兩端分別與兩個法蘭連接；在縱支撐肋上沿軸向均勻布置兩個以上支撐環(huán)，所述支撐環(huán)與縱支撐肋連接。
[0010]步驟二、將步驟一所形成的金屬骨架安裝在可做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的工裝上，然后在其外圓周面上纏繞一層以上用環(huán)氧樹脂膠浸潰后的玻璃纖維布，形成第一層玻璃鋼層；在纏繞玻璃纖維布的過程中，對被纏繞的玻璃纖維布施以恒定張力，并勻速轉(zhuǎn)動金屬骨架；玻璃纖維布纏繞完成后，在室溫下固化24h。
[0011]步驟三、在所述第一玻璃鋼層的外圓周面上制作鈦絲繞制層:首先將鈦絲的一端固定在任意一個法蘭上，然后邊在鈦絲上均勻涂覆環(huán)氧樹脂膠邊將鈦絲繞制在第一玻璃鋼層的外圓周面上，形成鈦絲繞制層；繞制時對鈦絲施以恒定張力。
[0012]步驟四、在所述鈦絲繞制層的外表面均勻涂覆環(huán)氧樹脂膠，然后在鈦絲繞制層的外表面繞制一層以上用環(huán)氧樹脂膠浸潰后的玻璃纖維布，形成第二玻璃鋼層；在纏繞玻璃纖維布的過程中，對被纏繞的玻璃纖維布施以恒定張力，并勻速轉(zhuǎn)動金屬骨架。
[0013]步驟五、在所述第二玻璃鋼層的外圓周面上制作碳纖維層，由此形成耐壓殼體半成品:在第二玻璃鋼層的外圓周面上均勻噴射樹脂膠液，然后邊勻速轉(zhuǎn)動工裝上的金屬骨架邊在第二玻璃鋼層的外圓周面上纏繞碳纖維長絲；當(dāng)纏繞完一層后，在其外表面噴射樹脂膠液，再進(jìn)行下一層的纏繞；碳纖維層制作完成后，將耐壓殼體半成品從工裝上卸下；
[0014]步驟六:在所述碳纖維層的外表面設(shè)置防護(hù)層，由此形成所需的耐壓殼體。
[0015]在所述防護(hù)層的外圓周面上沿軸向設(shè)置兩個以上碰撞環(huán)。
[0016]將所述兩個法蘭加工為圓錐形結(jié)構(gòu)，其小端面相對。
[0017]在所述兩個法蘭的圓錐形外圓周面上，與第一玻璃鋼層、鈦絲繞制層、第二玻璃鋼層、碳纖維層及防護(hù)層的相接觸的位置分別加工有徑向三角形環(huán)槽。
[0018]所述縱支撐肋與法蘭及支撐環(huán)之間均采用鉚接工藝連接。
[0019]所述步驟五中制作碳纖維層時，采用三組碳纖維長絲邊按設(shè)定規(guī)律編制邊纏繞。
[0020]所述步驟六中防護(hù)層的材料由聚酰胺脂和玻璃纖維復(fù)合而成，其中玻璃纖維的質(zhì)量為聚酰胺脂質(zhì)量的30%?35%。有益效果
[0021]該成型方法將物理與化學(xué)有機(jī)地相結(jié)合，將多種具備不同性質(zhì)和特點(diǎn)的材料通過適當(dāng)?shù)墓に嚪椒◤?fù)合制成多相體系的固體，其性能比組成構(gòu)件的分相材料的性能有較大提高，即具有“復(fù)合”效應(yīng)。采用該方法，可避免構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力集中，保證其整體應(yīng)力均勻分布，又能使其承受一定的外力沖擊。同時依據(jù)實(shí)際使用工況，通過設(shè)計，可靈活調(diào)整其材料成分。
[0022]采用該方法制造出的耐壓殼體能承受較高的外壓作用而不發(fā)生形變與失穩(wěn)現(xiàn)象；采用金屬框架結(jié)構(gòu)與非金屬材料相結(jié)合:金屬框架結(jié)構(gòu)一是可作為耐壓殼體的骨架，二是可減輕整體結(jié)構(gòu)的重量。采用不同性能及特點(diǎn)的材料制成的整體構(gòu)件，可保證其內(nèi)部應(yīng)力均勻分布，又能使其承受一定的外力沖擊。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是耐壓殼體的剖示圖；
[0024]圖2耐壓殼體的端面視圖。
[0025]其中:1-法蘭、2-縱支撐肋、3-支撐環(huán)、4-第一玻璃鋼層、5-鈦絲繞制層、6_碳纖維層、7-防護(hù)層、8-防碰撞環(huán)、9-第二玻璃鋼層
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0027]本實(shí)施例提供一種復(fù)合材料制成的水下航行器耐壓殼體及其成型方法，該殼體作為水下探測設(shè)備或其他要求與水隔離的儀器設(shè)備的安裝平臺，能承受40MPa (水下4000m)外壓的能力，且在滿足使用條件下重量輕、具備一定的防沖擊能力。
[0028]本實(shí)施例中對耐壓殼體的物理尺寸要求為:外徑直徑760mm、長1500mm(大容積)，在滿足使用條件下要求重量輕；工作環(huán)境:海水中作業(yè)，且能承受40MPa外壓的能力，同時具備一定的防沖擊能力。
[0029]基于上述使用條件，本實(shí)施例采用金屬與聚合物基制成耐壓殼體，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，包含法蘭1、縱支撐肋2、支撐環(huán)3、玻璃鋼層4、鈦絲繞制層5、碳纖維層6、防護(hù)層
7和防碰撞環(huán)8。為滿足上述使用要求，本實(shí)施例采用金屬骨架作為耐壓殼體的支撐肋2，外部分層敷以金屬絲及其他非金屬材料組成整體構(gòu)件，這樣即可降低構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力集中，最大化地使其內(nèi)部應(yīng)力均勻分布，又可保證其對外的承壓能力。
[0030]該耐壓殼體的具體結(jié)構(gòu)為:
[0031]步驟一:用高強(qiáng)度7050鋁合金制作由法蘭1、縱支撐肋2和支撐環(huán)3組成的金屬骨架。
[0032]將位于耐壓殼體兩端的連接法蘭先采用鍛造工藝制成半成品后，再采用機(jī)加工工藝制成成品。其目的在于改善法蘭內(nèi)部組織，提高其強(qiáng)度與韌性。同時在保證法蘭的強(qiáng)度及裝配工藝的條件下，將法蘭設(shè)計成圓錐形結(jié)構(gòu)(其過渡面為弧面，以避免應(yīng)力集中)，并在法蘭圓錐形外表面上與其他材料的連接部位加徑向三角圓環(huán)槽，其作用一是在保證裝配尺寸及構(gòu)件強(qiáng)度的條件下，可減小構(gòu)件的重量；二是能夠增強(qiáng)法蘭與其他材料間的連接強(qiáng)度。然后將兩個法蘭同軸布置，其中兩個法蘭的小端面相對。在兩個法蘭之間沿周向均勻分布多個縱支撐肋，為控制縱支撐肋應(yīng)力集中點(diǎn)的均勻性，采用鉚接工藝將縱支撐肋的兩端分別與兩個法蘭連接。為提高整體強(qiáng)度，在縱支撐肋上沿軸向等間距布置多個支撐環(huán)3，采用鉚接工藝將所述支撐環(huán)3與縱支撐肋2連接。采用鉚接工藝連接既可保證連接部位的強(qiáng)度，又可避免裝配時的變形。
[0033]步驟二:將步驟一裝配完成的金屬骨架安裝在可做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的工裝上，然后在金屬骨架的外圓周面上敷設(shè)玻璃纖維布，形成第一玻璃鋼層4。
[0034]具體為:首先將金屬骨架上將與玻璃纖維布相接觸的部位用粗砂紙打毛后用酒精清洗，然后在其外圓周面上纏繞2?3層玻璃纖維布，形成第一玻璃鋼層4。在纏繞玻璃纖維布的過程中需注意:一是對被纏繞的玻璃纖維布施以設(shè)定的恒張力，使玻璃纖維布繞制的更為緊密；二是均勻地旋轉(zhuǎn)金屬骨架；三是在纏繞玻璃纖維布的同時，用調(diào)制好的環(huán)氧樹脂膠浸潰玻璃纖維布，目的是增強(qiáng)所形成的第一玻璃鋼層4的連接強(qiáng)度，同時提高殼體整體的剛度。玻璃纖維布纏繞完成后，在室溫下固化24h，然后依次用砂輪片和砂紙對第一玻璃鋼層4的外圓周面邊打磨邊做整型處理。
[0035]步驟三:為進(jìn)一步提高耐壓殼體的抗壓能力，在步驟二中所形成的第一玻璃鋼層4的外圓周面上制作鈦絲繞制層5。
[0036]具體為:首先將鈦絲的一端固定在金屬骨架的任意一個法蘭上，其連接方法如同舷梯絞車上的鋼索連接在絞盤上的方式。然后在鈦絲上均勻地涂覆環(huán)氧樹脂膠，邊涂覆邊將鈦絲繞制在第一玻璃鋼層4的外圓周面上。繞制時對鈦絲施以恒張力使鈦絲繞制緊密，由此繞制3?4層，形成鈦絲繞制層5。本實(shí)施例中所選用的鈦絲直徑在0.5mm左右，這樣既便于構(gòu)件的成型又可保證成型后構(gòu)件的剛度與強(qiáng)度。[0037]步驟四:在鈦絲繞制層5的外表面均勻涂覆一層環(huán)氧樹脂膠，然后采用步驟二的操作流程在鈦絲繞制層5的外表面繞制2層玻璃纖維布，形成第二玻璃鋼層9。其目的是固定鈦絲繞制層5，防止其工作過程中脫落。
[0038]步驟五:采用三組碳纖維長絲直接繞制在步驟三中形成的第二玻璃鋼層9上，制成碳纖維層6。
[0039]具體為:將三組碳纖維長絲的一端分別固接在第二玻璃鋼層9上，在第二玻璃鋼層9的外表面上噴射一層樹脂膠液，然后邊勻速轉(zhuǎn)動工裝上的耐壓殼體半成品邊纏繞碳纖維長絲，同時按一定規(guī)律對碳纖維長絲進(jìn)行編制。在纏繞編制過程中，當(dāng)鋪完一層碳纖維層后，對其外表面噴射樹脂膠液，再進(jìn)行下一層的纏繞；直至所形成的碳纖維層6達(dá)到其設(shè)定厚度后將耐壓殼體的半成品從工裝上卸下。
[0040]步驟六:為使最后形成的耐壓殼體在布放或回收時具有一定的抗沖擊能力，同時確保碳纖維層6固接牢固，在碳纖維層6的外表面設(shè)置防護(hù)層7，由此形成所需的耐壓殼體。所述防護(hù)層7的材料選用聚酰胺脂加玻璃纖維，其中玻璃纖維/聚酰胺脂的質(zhì)量比例在30%?35%之間，這樣可保證防護(hù)層7的塑性，提高其綜合機(jī)械性能，同時該復(fù)合材料與鋁合金和鋼的線膨脹系數(shù)相近，使其安裝牢固，不易脫落。
[0041]步驟七:為進(jìn)一步提高所形成的耐壓殼體的抗沖擊能力，在防護(hù)層7的外圓周上沿軸向等間距裝配有若干防碰撞環(huán)8。所述防碰撞環(huán)8的材料可選用耐海水、耐臭氧、老化性能強(qiáng)的橡膠制成，采用膠接工藝將其粘連在防護(hù)層7的外表面上，成型后的耐壓殼體結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。
[0042]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種復(fù)合材料耐壓殼體，其特征在于，包括:由兩個法蘭(I)、兩個以上縱支撐肋(2)和兩個以上支撐環(huán)(3)組成的金屬骨架；以及依次布置在金屬骨架外圓周的第一玻璃鋼層(4)、鈦絲繞制層(5)、第二玻璃鋼層(9)、碳纖維層(6)和防護(hù)層(7);其中所述兩個法蘭同軸放置，在兩個法蘭之間沿周向均勻分布兩個以上縱支撐肋，所述縱支撐肋的兩端分別與兩個法蘭連接；在兩個法蘭之間沿均勻軸向分布兩個以上支撐環(huán)，所述支撐環(huán)與縱支撐肋連接。
2.基于權(quán)利要求1所述復(fù)合材料耐壓殼體的成型方法，其特征在于， 步驟一、制作由法蘭(I)、縱支撐肋(2 )和支撐環(huán)(3 )組成的金屬骨架； 所述法蘭先采用鍛造工藝制成半成品后，再采用機(jī)加工工藝制成成品；然后將兩個法蘭同軸布置，在兩個法蘭之間沿周向均勻布置兩個以上縱支撐肋，所述縱支撐肋的兩端分別與兩個法蘭連接；在縱支撐肋上沿軸向均勻布置兩個以上支撐環(huán)，所述支撐環(huán)與縱支撐肋連接； 步驟二、將步驟一所形成的金屬骨架安裝在可做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的工裝上，然后在其外圓周面上纏繞一層以上用環(huán)氧樹脂膠浸潰后的玻璃纖維布，形成第一層玻璃鋼層(4);在纏繞玻璃纖維布的過程中，對被纏繞的玻璃纖維布施以恒定張力，并勻速轉(zhuǎn)動金屬骨架；玻璃纖維布纏繞完成后，在室溫下固化24h ； 步驟三、在所述第一玻璃鋼層(4)的外圓周面上制作鈦絲繞制層(5): 首先將鈦絲的一端固定在任意一個法蘭上，然后邊在鈦絲上均勻涂覆環(huán)氧樹脂膠邊將鈦絲繞制在第一玻璃鋼層(4)的外圓周面上，形成鈦絲繞制層(5);繞制時對鈦絲施以恒定張力； 步驟四、在所述鈦絲繞制層(5 )的外表面均勻涂覆環(huán)氧樹脂膠，然后在鈦絲繞制層(5)的外表面繞制一層以上用環(huán)氧樹脂膠浸潰后的玻璃纖維布，形成第二玻璃鋼層(9);在纏繞玻璃纖維布的過程中，對被纏繞的玻璃纖維布施以恒定張力，并勻速轉(zhuǎn)動金屬骨架； 步驟五、在所述第二玻璃鋼層(9)的外圓周面上制作碳纖維層(6)，由此形成耐壓殼體半成品: 在第二玻璃鋼層(9)的外圓周面上均勻噴射樹脂膠液，然后邊勻速轉(zhuǎn)動工裝上的金屬骨架邊在第二玻璃鋼層(9)的外圓周面上纏繞碳纖維長絲；當(dāng)纏繞完一層后，在其外表面噴射樹脂膠液，再進(jìn)行下一層的纏繞；碳纖維層(6)制作完成后，將耐壓殼體半成品從工裝上卸下； 步驟六:在所述碳纖維層(6)的外表面設(shè)置防護(hù)層(7)，由此形成所需的耐壓殼體。
3.如權(quán)利要求2所述的復(fù)合材料耐壓殼體成型方法，其特征在于，在所述防護(hù)層(7)的外圓周面上沿軸向設(shè)置兩個以上碰撞環(huán)(8)。
4.如權(quán)利要求2或3所述的復(fù)合材料耐壓殼體成型方法，其特征在于，將所述兩個法蘭加工為圓錐形結(jié)構(gòu)，其小端面相對。
5.如權(quán)利要求4所述的復(fù)合材料耐壓殼體成型方法，其特征在于，在所述兩個法蘭的圓錐形外圓周面上，與第一玻璃鋼層(4)、鈦絲繞制層(5)、第二玻璃鋼層(9)、碳纖維層(6)及防護(hù)層(7)的相接觸的位置分別加工有徑向三角形環(huán)槽。
6.如權(quán)利要求2或3所述的復(fù)合材料耐壓殼體成型方法，其特征在于，所述縱支撐肋與法蘭及支撐環(huán)之間均采用鉚接工藝連接。
7.如權(quán)利要求2或3所述的復(fù)合材料耐壓殼體成型方法，其特征在于，所述步驟五中制作碳纖維層(6)時，采用三組碳纖維長絲邊按設(shè)定規(guī)律編制邊纏繞。
8.如權(quán)利要求2或3所述的復(fù)合材料耐壓殼體，其特征在于，所述步驟六中防護(hù)層(7)的材料由聚酰胺脂和玻璃纖維復(fù)合而成，其中玻璃纖維的質(zhì)量為聚酰胺脂質(zhì)量的30%~35%。`
【文檔編號】B29C53/56GK103482014SQ201310415854
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月13日
【發(fā)明者】盧水兵, 劉棟, 易學(xué)平, 壽麗莉, 劉強(qiáng), 高頻 申請人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所