新型复合材料在深海载人潜水器上的应用

49卷第3期(总第182期) 2008年9月 中 国 造 船 SHIPBUILI)INGOFCHINA V01．49No．3(SerialNo．182) Sep．2008 文章编号：1000—4882(2008)03—0087—011 新型复合 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 在深海载人潜水器上的应用 赵俊海， 侯德永， 马利斌， 沈泓萃 (中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082) 摘 要 论述了深海载人潜水器轻外壳的选材原则和MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1714145945207_0、结构型式和成型工艺，并通过对新型复合材料轻外壳 试制样品的试验研究，获得了较为完整的轻外壳物理性能参数和机械性能参数，这些性能参数将为深海水下 机器人轻外壳结构的设计提供依据，并为编制我国大深度载人潜水器入级和建造规范奠定了基础。 关 键 词：船舶、舰船工程；新型复合材料；载入潜水器；轻外壳；正交异性；强度保留率；吸水率 中图分类号：U663．94；U674．941文献标识码：A 1 引 言 近年来，随着科学技术的发展和对能源需求的不断提高，人类对海洋的认识和开发力度亦不断增 加，并逐步向深海扩展。深海载人潜水器在海洋开发中具有无可比拟的优越性。由于深海载人潜水器的 特殊地位和作用，美、法、日、俄等国早已开展了深海载人潜水器的研制工作。美国建造了“Alvin”4500m 载人潜水器，法国建造了“Nautile”6000m载人潜水器，日本建造了“Shinkai6500”6500m载人潜水器， 俄罗斯建造了“Consul”6000m载人潜水器。目前，我国正在进行大深度载人潜水器的研制工作。 载人潜水器结构中，除了能承受深水压力的耐压壳外，还有轻外壳。轻外壳除形成并保持潜水器的 外形，以提高潜水器的水动力性能之外，还承担着保护潜水器内部设备的重要使命。当潜水器潜入水下 时，轻外壳所包络的内部空间进水，与外部海水相连通，内、外压力平衡，故轻外壳结构内、外侧仅承受深 海静水压力；但在水面时须要具有一定的抗冲击能力。轻外壳结构主要是由外部壳板和内部构架组成。 外部壳板形成潜水器外形；内部构架为外部壳板提供支承，并固定在载体主框架上。 上述大深度载人潜水器都无一例外地使用了各种复合材料作为潜水器轻外壳壳板。这是由于与其 它材料相比，复合材料具有很多优异的性能：无磁透波、轻质高强、成型方便、结构可设计等。众所周知， 玻璃钢(FRP)是水下机器人常用的复合材料之一。 在我国现有的潜水器规范[1]中，仅涉及耐压壳体的设计、材料、制造，而对潜水器轻外壳的结构设 计、强度准则和加工建造要求均未提及。因此，本文以深海载人潜水器轻外壳的设计为工程背景，阐述了 轻外壳的使用条件和技术要求，轻外壳材料选择原则、轻外壳产品的成型工艺，以及应用实例分析，并通 过深海模拟压力筒保压试验，对其物理和机械性能进行试验验证。上述研究工作将为深海水下机器人 (HOV，ROV，AUV)轻外壳结构的设计提供依据，并为编制我国大深度载人潜水器人级和建造规范奠 定基础。 收稿日期：2007—10一15；修改稿收稿日期：2008—02—25 基金项目：国家863霞大专项课题(K1430) 万方数据 中 国 造 船 学术论文 2轻外壳的使用条件和关键技术 2．1轻外壳的使用条件 环境温度为一2‘C"--50‘C，介质为海水和海洋大气环境；海况等级：4级布放，5级回收；工作区域为 太平洋7000m以内海区；使用寿命为10年。 2．2关键技术要求 根据轻外壳的使用条件，必须解决如下所述的几个关键技术： ①质量要轻，比强度、比刚度要高； ②能够承受潜水器布放和回收过程中的波浪冲击载荷； ③布置和分块合理，便于安装、拆卸，维护方便； ④成型工艺性好，产品变形量小； ⑤耐腐蚀性。 依据上述的关键技术，玻璃钢轻外壳板材机械强度应满足表1所列出的性能指标。 表1 玻璃钢轻外壳板材机械强度指标 船用玻璃钢材料的选择 3．1船用玻璃钢材料选择的依据 船用玻璃钢材料的选择既要满足轻外壳的使用条件和关键技术要求，又要考虑我国船用玻璃钢和 高性能复合材料的生产及应用情况。我国船用玻璃钢主要分为两类：一类是通用型，另一类是高强型。此 外，我国还研制出碳纤维及碳纤维与高强玻璃纤维混杂增强的复合材料，超高分子量聚乙烯纤维与高强 玻璃纤维混杂增强的复合材料等。 3．2船用玻璃钢材料的选择原则和关键技术分析 3．2．1船用玻璃钢材料的选择原则 根据轻外壳使用条件和技术要求，在选择玻璃钢材料时应重点考虑以下几种情况： ①树脂基体应具有优良的耐水性和较高的断裂伸长率； ②树脂基体应具有良好的工艺性能； ③增强纤维选择高模高强玻璃纤维，必要时选择一定量的碳纤维，以提高材料的强度和刚度； ④通过试验确定玻璃钢在大深度水下的物理和力学性能。 3．2．2关键技术分析 ①降低玻璃钢材料内部空隙含量技术； 万方数据 49卷第3期(总第182期)赵俊海。等：新型复合材料在深海载人潜水器上的应用 ②提高玻璃钢制品在大深度水下湿态强度保留率技术； ③确定提高玻璃钢制品刚度的措施，其中包括采用合理的结构型式； ④降低玻璃钢制品收缩及变形技术。 3．3玻璃钢材料选择考虑 根据轻外壳使用条件和技术要求中的玻璃钢技术性能指标(干态)要求，结合国内现有船用复合材 料研制应用情况，选择船用高强玻璃钢材料比较合适。高强玻璃钢的一些主要性能均可满足上述的技术 要求，但其弹性模量偏低达不到要求，相差比较大。 欲提高高强玻璃钢材料的弹性模量，可采用下述方法： ①在玻璃纤维增强材料中配置一定比例的碳纤维； ②提高加强筋的刚度，选择合适的结构要素； ③采用模压工艺成型。 如果采用方法①，须作混杂比试验，以便确定碳纤维与高强玻璃纤维的混杂比，但碳纤维与一些低 电位金属(如铝、铁)会发生电化学腐蚀；如果采用方法②，须计算所需刚度及加强筋布置；如果采用方法 ③，须耗费较大资金作金属模具及采用大工作台面的加压设备。本文暂不考虑方法③。根据上述分析， 本文采用方法②来提高玻璃钢材料的弹性模量。 树脂基体应选择具有较高韧性，耐水性优良的乙烯基酯树脂，如32014，4114等。乙烯基酯树脂的特 点是：具有不饱和聚酯树脂的优良工艺性，同时还具有环氧树脂高的粘结性能，所以现在一般要求较高 的玻璃钢制品，采用该类树脂是比较合适的。 增强材料的选择，由于复合材料的弹性模量较低，如果常温常压下(干态)玻璃钢材料的弹性模量要 求在20GPa左右，则可完全采用高模量玻璃布或高强度玻璃布。从铺层角度考虑应选择MW一220或 SW一220为宜，织纹为4枚缎，表面浸润剂为JF45。 4玻璃钢轻外壳结构型式分析与选择 4．1玻璃钢轻外壳的布置和分块 4．1．1玻璃钢轻外壳的布置 玻璃钢轻外壳的布置应根据潜水器总体性能与总布置要求，特别是相关区域浮力块布置和内部设 备布置及安装维护等要求来确定，须综合考虑，合理安排： ①服从总体和总布置的要求，即满足潜水器质量、质心、浮力和浮心等要求； ②满足浮力块总质心(型心)位置高度的要求，即浮力块应布置在潜水器的上部； ③考虑到潜水器内部设备安装和维护的方便，轻外壳布置在潜水器的下部； ④由于潜水器艏部线型复杂，所以潜水器艏部外表面全部布置轻外壳，内部布置浮力块，这样可减 少浮力块的加工难度。 4．1．2玻璃钢轻外壳的分块 玻璃钢轻外壳的分块与载体框架结构型式有关。考虑到轻外壳外部和内部构架的结构强度和刚度， 以及安装和拆卸的需要，轻外壳沿纵向按照潜水器的站位分块；沿周向按照与纵中剖面夹角为±33．5。 进行分块。 4．2玻璃钢轻外壳外板厚度的计算 4．2．1玻璃钢轻外壳外载荷的确定 根据玻璃钢轻外壳使用条件，轻外壳所承受的外载荷根据静水压柱来确定。取潜水器在回收阶段所 对应的海况等级作为轻外壳的设计工况。5级海况是介于中浪(4级)与大浪(5级)之间，即对应于4级 浪高的上限与5级浪高的下限。依据《我国国家海洋局浪级表》[z]可得有义波高如下： ①4级浪，有义波高：1．25m≤H1／3<2．5m； 万方数据 中 国 造 船 学术论文 ②5级浪，有义波高：2．5ITI≤Hl／3<4．0rrl。 取有义波高／-／∽一2．5m作为轻外壳所承受的外部静水压柱高度，将此静水压柱简化为作用在轻 外壳外表面的均布载荷q，则 g—JD·g·h=0．025(MPa) (1) 式中』D为海水密度，‘D=1．025×103kg／m3；g为重力加速度，g一9．8m／s2；h为静水压柱高度，h= 耳1／3—2．5m。 4．2．2玻璃钢轻外壳许用应力的选取 根据文献I-3]，考虑到轻外壳在外界介质作用下，由于受到海水浸泡，太阳光的辐射，温度的作用等 因素的影响，其强度及弹性模量将随时间增长而变坏(老化)，所以轻外壳在均布载荷q作用下的许用应 力取为 [盯。]一o．35ah。≈O'bz／YI—113．33(MPa) [盯y]一0．35ab，≈O'hy／n一113．33(MPa) ⋯ 式中d。，为轻外壳在湿态下沿X方向(经向)的弯曲强度，Gbs．=340．0MPa；仃如为轻外壳在湿态下沿y 方向(纬向)的弯曲强度，Gby=340．0MPa；卵为安全系数，挖一3；[以]为轻外壳在湿态下沿X方向(经 向)的弯曲许用应力，[口，]为轻外壳在湿态下沿y方向(纬向)的弯曲许用应力。 4．2．3保证玻璃钢轻外壳强度要求所必需的板厚 根据板边尺度比和固定情况(按轻外壳外板与内部钛合金构架固定方式确定)，按照船舶结构力 学[41中计算板弯曲的 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 ，可求得板在均布载荷作用下的最大弯矩；再由弯矩和许用应力，就可确定保 证强度所必需的板厚。 潜水器艏部轻外壳线型曲率变化大，受力情况复杂。因为顶部轻外壳在水线以上，直接受到波浪载 荷拍击，受力状况较为恶劣，故以艏部分段顶部轻外壳为研究对象，分自由支持和刚性固定两种边界条 件，分别计算其最小厚度。 (1)板自由支持在刚性构架上 为便于计算，截取顶部轻外壳中一个典型的P板格单元，将其简化为四边简支的矩形板(见图1)； 将承受波浪拍击载荷的艏部轻外壳简化为在z方向承受均布载荷q一0．025MPa的简支矩形板。简支 边界条件为：在X=0与X一口处，W=0，舰=0；在Y一0与Y—b处，W一0，坛=0。 乱一0孙一∥q=O．02≯5MPa／，r妒YcL一0’孥r怨I；，筹≯∥∥ 万方数据 49卷第3期(总第182期)赵俊海，等：新型复合材料在深海载人潜水器上的应用 ．． sin型sl’n掣以刎)-器点。悬．哥楠 ㈤ 式中口为支持周界长边长度，a一0．6m；b为支持周界短边长度，b=0．4m；D为板沿X方向(经向)或 y方向(纬向)的湿态弯曲刚度，D=Et3／[12(1一∥2)]；E为玻璃钢轻外壳沿X方向(经向)或y方向 (纬向)的湿态弯曲弹性模量，E—E；=E，一17。0GPa；弘为玻璃钢轻外壳沿X方向(经向)或y方向 (纬向)的泊松比，户一／1，=以一0．15；￡为板厚。 板中心处的应力以，O"y分别为 q=6M∥2=6×[一D(碧+卢雾胪≤M (4) 。=6M,／陆6×[一D(等+∥碧)]t≤M (5) 由式(4)、式(5)分别得，t1≥2．90(ram)，t2≥4．05(ram)。 (2)板刚性固定在刚性构架上 将P板格单元简化为一四边固支的矩形板(见图 2)，其边界条件为：在X=0与X=口处，W—o，等一’ 0；在Y一0与Y=b处，硼=0，掣一0。 o) 板短边中点的弯距为 旭=k4qb2—226．67(N·m)(6) 板长边中点的弯距为 M。=ksqb2=300．00(N·m)(7) 式中k。、k。随板的边长比(a／b)而变化，查表得k。一 0．0567，k。一0．075[4]。将救、M，分别代入式(4)、式(5) 得，t3≥3．46(ram)，t4≥3．99(ram)。 4．2．4保证玻璃钢轻外壳刚度要求所必需的板厚 口i?j?j：?，⋯?"／／／／．．?／j．，。<∥T兰 爹 黔蠹0夕 孝{多 銮。|_‰。0ij：1’ 嘭 爹／／ ，，工：结n—n巨／i／ 工2 l j／／--?i。i／／77一jji?一／。／／。j?-j。_rj。j7／／／／j／77厂j7／，，。 ，??，一i。J， I 图2边界固支的P板格单元计算模型 对于四周刚性固定、承受均布载荷的板，可从计算板的挠度公式B1得出下列保证刚度必需的板厚： 11,5≥√丛Ew一√螋黑170簧1舻09羔0业012些乩22(mm) (8)尹～ 一～ ． × ×． 一。66”““” 、o7 式中W为挠度，根据板的允许挠度标准嘲，W5丽1跨度2蠢一面O．b一0·012(m)；k-为系数，根据板的 边长比(a／b)确定，查表得k。=0．024[4J。 4．2．5玻璃钢轻外壳外板厚度的确定 根据上述两种简化模型的分析和计算，在t，～ts中取最大值并圆整，这样便可求得k玻璃钢轻外壳 外板厚度为t=5(ram)。 4。3加强筋的结构型式 为提高玻璃钢轻外壳外板的刚度，可在轻外壳外板上采用如图3所示的加强筋结构形式： ①普通玻璃钢船外板上广泛采用图3(a)所示的骨架梁梯形剖面的加强筋，其内部填充泡沫塑料填 料，可在船体外板上预先放置的型芯上直接成型。它较板条筋质量轻、刚度好，但其承压能力较低，不适 合在深海潜水器轻外壳结构中使用。 ②图3(b)所示的厚板条梯形剖面的加强筋，可方便地在轻外壳外板上成形；叠片式板条易于敷设 在曲面外板上并牢固地与其胶接。当构件高度受到限制时(艏部轻外壳内部布置浮力块)应用板条筋是 合理的。由于加强筋内部无泡沫塑料填料，所以比较适合作为深海潜水器轻外壳加强筋结构。 万方数据 中 国 造 船 学术论文 泡沫塑料填料 政雠t＼、、纛藏、一≤一＼、、蒯黪缀黪 岛 缀爱毖戮戮狻磁Z l (a)骨架梁剖面 单向纤维布 一 、＼ 正交纤维布 疋、⋯；‘’＼＼～ } 、 f 、-I 、 、、 ， j． 警 ＼ ／ ?j 、 j 眵缀么◇Z麓jjj；Zj强jt (b)板条梁剖面 图3加强筋结构形式 4．4玻璃钢轻外壳安装面的结构形式 为了使外部轻外壳壳板与内部构架面板完全贴合，必须要求内部钛合金构架面板也为双曲率，这样 就使得内部钛合金构架加工难度很大。由于外部轻外壳采用模具加工，复杂曲面成型比较容易。为此， 可将内部构架按照单向曲率加工制造，将外部轻外壳沿着构架面板宽度方向伸出凸台与构架面板配装， 这样就把内部构架的加工难度“转移”到外部轻外壳上。图4示出了玻璃钢轻外壳与内部钛合金构架的 连接方式。 连接螺检 轻外壳分块3 、、 ＼ ＼ 外毒害装蔓拿＼、 、、 ．，嬲 ＼、~jj、一，。彰纱＼ )’7手57 ，f∥：j刁≯彩 ∥≯‘鼍+髫 ，‘ ’、 髦 ／ >彰 一L，，／钛合金构架／ 一 图4 艏邵轻外元与内郡钛合金构架的连接方式 4．5耐腐蚀性 ． 海水的腐蚀作用分为两类：化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀可用适当的保护层和预防性保养使之 减至最小；电化学腐蚀可以靠材料的选择及阳极保护使之减至最小。深海载人潜水器轻外壳选材时，首 先必须注意到金属与复合材料之间的电位差，因为电位差的存在会发生电偶腐蚀问题。 ①由于玻璃纤维是不导电的，因而它是一种理想的电绝缘体，它能起到某种隔断电化学腐蚀回路 的功能，不会引起任何金属材料出现电化学腐蚀，因此，它是轻外壳结构材料的理想选择。 ②碳纤维复合材料是以碳丝为增强剂的新型材料。碳能导电，碳的电化学特性与贵金属相似，在许 多电介质溶液中呈现出正电位，当它与大多数金属连接时，由于电位差将引起金属材料出现电化学腐蚀 的潜在危险。尽管钛合金与碳复合材料的电位较接近(表2)，但在潜水器上安装的设备(如机械手及其 电子阀箱、螺旋桨叶等)中，还有铝合金和不锈钢等低电位的金属存在，所以不推荐碳纤维复合材料作为 轻外壳的结构材料。 ⑧机械连接是轻外壳的主要连接形式，考虑到复合材料连接接头的接触腐蚀问题，所有连接紧固 件(螺栓、螺钉、螺母和垫圈)必须选用钛合金材料。 万方数据 49卷第3期(总第182期)赵俊海，等：新型复合材料在深海载人潜水器上的应用 表2 金属和碳纤维／环氧树脂材料在50％NaCl水溶液中的电位近似值‘5] 材 料 持续24h后电势／mV 铝(L16) 铝铜合金(LTl) $510钢(电镀隔) 不锈钢($521) 钛(6A14V) 碳纤维／环氧树脂(数天后的近似值) ——780 —730 —730 +35 +190 一-300 5玻璃钢轻外壳试制样品的成型工艺 5．1 玻璃钢轻外壳制品试制前应做的几项工作 ①选择高模玻璃纤维或高强玻璃纤维，进行增强材料选择试验；若选择高强玻璃纤维与碳纤维混 杂增强时，则须通过试验确定混杂比l ②在高水压条件下进行玻璃钢物理和机械强度测试试验，求出湿态保留强度； ③采用确定的配方及工艺，做一套完整的性能数据测试； ④在成型现场做胶液的凝胶试验，调整配方比例，控制凝胶时间。 5．2玻璃钢轻外壳制品成型工艺的选择 目前玻璃钢制品成型工艺有多种，各有特点和适用范围。考虑潜水器轻外壳制品外形较复杂，生产 数量少，产品尺寸较大以及价格等因素，故潜水器轻外壳制品采用手糊成型工艺为宜。如果经费比较充 裕，采用热压罐成型工艺更好，这对提高强度及模量有利。 5．3手糊成型工艺 ①模具制作：如果是单件产品，直接用石膏阳模即可；如果成型几个制品就要用石膏模翻成玻璃钢 阳模，在模具制造前，首先要把所需线型卡板做好，并防止卡板变形； ②糊制：在糊制过程中，应特别注意排除气泡，达到肉眼检查时无气泡存在； ⑧后固化处理：糊制完成凝胶固化后，放置一天，进行加热处理，用巴氏硬度计控制固化程度，达到 预定的硬度后方可脱模，以防变形； ④装配及修整：修整内外表面使之光顺，对有切口及钻孔的断面应进行防渗处理。 6玻璃钢轻外壳试制样品的水压试验 6．1水压试验前的准备工作 ①试验前，按GBl446--83规定和要求[6]，进行试板的外观检查； ②将不同工艺制作的试板进行分类和编号，并打上标记和标注纤维方向(o。或90。)，即将不同工艺 所提供的试板分为五组：干态为一组，湿态分为四组，每一组分别对应一个试验工况(保压时间：T一 1h、3h、5h、8h)，TM。。=tM。；+2=6+2=8(h)为最大保压时间，tM。；=6h为潜水器最大水下作业时间； ③将不同工艺所提供的同一组试板(编号相同)一起放到压力筒中进行水压试验。 试验压力：极限工作压力；保压时间依次为1h、3h、5h、8h。 6．2水压试验内容 ①极限工作压力下，保压时间为1h的水压试验； ②极限工作压力下，保压时间为3h的水压试验； ③极限工作压力下，保压时间为5h的水压试验； 万方数据 中 国 造 船 学术论文 ④极限工作压力下，保压时间为8h的水压试验。 6．3水压试验步骤 6．3．1压力筒加压保压和卸压 ①压力筒加压：O一极限工作压力(缓慢)，时间：2h； ②压力筒保压：极限工作压力，时间分别为1h、3h、5h、8h； ⑧压力筒卸压：极限工作压力一o(缓慢)，时间：2h。 6．3．2水压试验后试板的处理 每次试验完毕后，立即用塑料袋对试板进行封装处理，并在24h内完成玻璃钢试样的加工制作和 力学性能的测试工作。 7玻璃钢轻外壳试制样品的物理和机械性能测试 7．1 玻璃钢轻外壳的物理性能测试 ①在水压试验前，对所有试板用游标卡尺测量长度、宽度和高度，并计算试板的体积和表面积； ②对所有试板用电子秤粗称质量，再用标准天平精确地称出其质量，并分别计算出干态试板密度； ⑧在水压试验完毕后，再对湿态试板进行质量测量，并分别计算出湿态试板相当于试板质量的吸 水百分率。表3中，工艺 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 A、B、C表示由厂家按照不同的制作工艺所提供的试板。 表3 三个工艺方案提供的试板干态密度和吸水率测定数据‘71 7．2玻璃钢轻外壳的机械性能测试 7．2．1试样制作 ①完成轻外壳材料试板在极限工作压力下不同浸泡时间的水压试验； ②在极限工作压力水压试验完成后，将湿态试板浸于水中，在12h内按GBl446—83规定的要 求‘63完成试样的机械切削加工。)JHT-完成后的玻璃钢试样示于图5。 7．2．2机械性能测试试验 ①按各种试板的来源、状态对试样进行编号，并作标记如下： 试样编号 试验项目(1．拉伸，2．弯曲，3．压缩， 4．冲击韧性，5．层间剪切，⋯) 保压时间(干态，1h，3h，5h，8h) 工艺方案 ②试验完成后的试样，J；于图6。 7．2．3试验结果与分析 根据轻外壳物理和机械性能测试数据FT,a]，试验结果分析如下： (1)湿态强度保留率 按工艺方案A所制作试样的湿态强度保留率大于85％；按工艺方案B所制作试样的湿态强度保留 率比较分散，即湿态强度保留率从最低的40％到最高的95％左右；按工艺方案C所制作试样的湿态强 度保留率小部分在50％左右，但大部分大于85％； 万方数据 49卷第3期(总第182期)赵俊海，等：新型复合材料在深海载人潜水器上的应用 图5试验前的玻璃钢试样 图6试验后的玻璃钢试样 (2)吸水性 按工艺方案A所制作试样的吸水率较小；按工艺方案B所制作试样的吸水率中等；按工艺方案C 所制作试样的吸水率较大； (3)密度 按工艺方案A所制作试样的平均密度为1．61×103kg／m3；按工艺方案B所制作试样的平均密度 为1．31×103kg／m3；按工艺方案C所制作试样的平均密度为1．52×103kg／m3； (4)分析 通过上述工艺方案A、B、C三种试样的试验数据分析可以看出，按工艺方案A所制作试样的湿态 强度试验数据分散性较小，湿态强度保留率≥85％；按工艺方案B所制作试样的湿态强度分}“陛较大， 湿态强度保留率≥40％；按工艺方案C所制作试样的湿态强度保留率≥50％。按工艺方案A、B、C所制 作试样在水中浸泡(72MPa；8h)后的弯曲强度和弯曲弹性模量变化态势分别示于图7、图8。 从上述分析得出以下几点： ①按工艺方案A制作试样的物理和机械性能明显优于按工艺方案B和方案C制作试样的物理和 机械性能； ②影响湿态强度保留率大小的因素，除了与试板选材(树脂耐水性)有关外，还与试样的加工成型 工艺有关； ⑧根据水下产品用玻璃钢制造经验和估算结果，玻璃钢的密度应在1．50×103kg／m3～1．70x103 kg／m3之间。按工艺方案B制作试样的密度偏小，说明所提供的试制样品空隙率较大，因此吸水率也较 大。 、。～一～一[：一—— 、 B ≮、o～～～一～／～一一一 《。 ‘一＼～』—一～～～～一一一一一～～1、～—～，⋯一。。 ＼C 1 3 5 8 10 图7 FRP在水中浸泡(72MPa，8h)后的弯曲强度变化态势 11．_．fl【0 卯 抛 印 ∞ 即 m 剞 棚 童 a 2 2 日山d二，b 万方数据 中 国 造 船 学术论文 8结 论 30 27 24 一 昌21 亩 18 15 1"／h 图8 FRP在水中浸泡(72MPa．8h)后的弯曲弹性模量变化态势 通过本文的分析，可以得出以下主要结论： (1)本文所提供的玻璃钢轻外壳物理和机械性能测试数据，可供深海机器人(HOV，ROV，AUV) 轻外壳结构设计时参考。影响玻璃钢轻外壳物理和机械性能的因素，不仅与选材有关，还与加工成型工 艺密切相关。即同种材料，不同工艺，则玻璃钢轻外壳物理和机械性能差别较大。 (2)本文所提供的玻璃钢轻外壳选材原则，不仅要满足强度和刚度等要求，还要考虑到复合材料与 其它低电位金属材料发生电化学腐蚀的潜在危险，这是水下产品选材的特点之一。 (3)对于嵌入到复合材料内部的金属件，当二者共固化时，金属件的布置应处于对称位置，并尽量 选用电位和热膨胀系数与复合材料相近的材料。 (4)由于玻璃钢弹性模量和层间剪切强度较低，耐久性也差，这将使结构件的连接强度降低、刚性 结构设计的形式和分块难度增加，设计者必须进行综合均衡，优化设计。 参考文献： [1]中国船级社．潜水系统和潜水器入级与建造规范Esl．北京：人民交通出版社，1996． [23周尧森．船舶耐波性EM3．上海：上海交通大学出版社，1985． E33瓦加诺夫AM，卡尔梅奇科夫A17，弗利德MA．玻璃钢船体结构的设计[M]．北京：国防工业出版社，1977． E43陈铁云，陈伯真．船舶结构力学EM；．上海：上海交通大学出版社，1990． [53赵渠森，杨国章，等．复合材料飞机结构制造技术[M]．北京：国防工业出版社，1989． [6]全国纤维增强塑料标准化技术委员会秘书处．纤维增强塑料(玻璃钢)标准汇编Fs]．北京：中国标准出版社，1998． [7]赵俊海，马利斌，等．X××载人潜水器轻外壳密度和吸水性试验报告[R]．无锡：中国船舶科学研究中心科技报 告，2004． [8]赵俊海，刘涛，等．×××载人潜水器轻外壳材料性能试验报告ER]．无锡：中国船舶科学研究中心科技报告， 2004． 万方数据 49卷第3期(总第182期)赵俊海，等：新型复合材料在深海载人潜水器上的应用 97 ApplicationofLightExostructureLaminated withAdvancedCompositeMaterial inDeep-SeaHumanOccupiedVehicle ZHAOJun—hai，HOUDe—yong，MALi—bin。SHENHong—cui (ChinaShipScientificResearchCenter，WuxiJiangsu214082，China) Abstract ItiSwellknownthattherearealotofoceanresourcesinthedeepsea．Therefore，itiSnecessary todevelopthedeep—seahumanoccupiedvehicle(HOV)inordertoexploreandutilizetheoceanre— sources．Lightexostructure，whichisusuallylaminatedwithadvancedcompositematerial，isoneof thebasiccomponentsinthedeep—seaHOV．Inthispaper。workingconditionsandtechnicalrequire— mentsoflightexostructureinthedeep—seaHOVarefirstexplained．Andthen，thekeytechnologies inthedevelopmentofHOV．suchasthebasicprinciplesofmaterialselectionandstructuretypesfor lightexostructureareintroduced．Moreover，someimportanttechniques，includingtheprinciplesof reasonablearrangementforlightexostructure，manufacturingtechnologyandmethods，aswellasan— ti—marinecorrosionareindetaildescribed．Atlast，bymeansofthetestsoflightexostructurelami— natedwithadvancedcompositematerial，thephysicalandmechanicalproperl：_、lesoflightexostructure areobtained，whichcanbeusedinlightexostructuredesign．Itisbelievedbyauthorsthatthere— searchresultspresentedinthispapercanbeusedasatechnicalbasistodevelopChineserulesforclas— sificationandconstructionofdeep—seasubmersibleandforthedesignofsimilarmannedorunmanned SUbmersibles． Keywords：shipengineering；advancedcompositematerial；HOV；lightexostructure；orthotropic； residualstrength；waterabsorption 作者简 介 赵俊海男，1963年生 侯德永男，1966年生 马利斌男，1978年生 沈泓萃男，1940年生 ，高级工程师。主要从事潜艇和潜水器结构方面的设计与研究工作。 ，高级工程师。主要从事潜艇和潜水器结构方面的设计与研究工作。 ，工程师。主要从事潜艇和潜水器结构方面的设计与研究工作。 ，研究员，博士生导师。 万方数据 新型复合材料在深海载人潜水器上的应用 作者： 赵俊海， 侯德永， 马利斌， 沈泓萃， ZHAO Jun-hai， HOU De-yong， MA Li-bin， SHEN Hong-cui 作者单位： 中国船舶科学研究中心,江苏,无锡,214082 刊名： 中国造船 英文刊名： SHIPBUILDING OF CHINA 年，卷(期)： 2008,49(3) 被引用次数： 2次 参考文献(8条) 1.中国船级社 潜水系统和潜水器入级与建造规范 1996 2.周尧森 船舶耐波性 1985 3.瓦加诺夫A M;卡尔梅奇科夫A П;弗利德M A 玻璃钢船体结构的设计 1977 4.陈铁云;陈伯真 船舶结构力学 1990 5.赵渠森;杨国章 复合材料飞机结构制造技术 1989 6.全国纤维增强塑料标准化技术委员会秘书处 纤维增强塑料(玻璃钢)标准汇编 1998 7.赵俊海;马利斌 ×××载人潜水器轻外壳密度和吸水性试验报告 2004 8.赵俊海;刘涛 ×××载人潜水器轻外壳材料性能试验报告 2004 本文读者也读过(9条) 1. 赵俊海.马利斌.刘涛.崔维成.ZHAO Jun-hai.MA Li-bin.LIU Tao.CUI Wei-cheng 大深度载人潜水器浮力块的结 构设计[期刊论文]-中国造船2008,49(4) 2. 陈兆晨 新型复合材料在交通运输业节能环保方面的应用浅析[会议论文]-2010 3. 胡勇.赵俊海.刘涛.崔维成.HU Yong.ZHAO Jun-hai.LIU Tao.CUI Wei-cheng 大深度载人潜水器上的复合材料轻 外壳结构设计研究[期刊论文]-中国造船2006,48(1) 4. 蔡斌 复合材料在船艇工业中的应用[期刊论文]-功能高分子学报2003,16(1) 5. Metso Corporation 新型复合材料的特点及其在造纸工业的应用[期刊论文]-中华纸业2006,27(8) 6. 赵俊海.汪本强.侯德永.马利斌.沈泓萃.ZHAO Jun-hai.WANG Ben qiang.HOU De-yong.MA Li-bin.SHEN Hong- cui 大深度潜水器稳定翼设计方法的研究[期刊论文]-船舶力学2008,12(1) 7. 傅磊 复合材料层合壳体结构在舰船抗冲击中的应用[期刊论文]-中国科技信息2010(22) 8. 孙常成 桥梁新型复合材料的发展应用[期刊论文]-科技情报开发与经济2005,15(11) 9. 叶彬.刘涛.胡勇.YE Bin.LIU Tao.HU Yong 深海载人潜水器外部结构设计研究[期刊论文]-船舶力学2006,10(4) 引证文献(2条) 1.姜磊.侯德永 载人深潜器供氧技术研究[期刊论文]-中国造船 2011(4) 2.姜磊.赵俊海 载人深潜器二氧化碳清除方式研究[期刊论文]-中国造船 2010(3) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zgzc200803012.aspx