用于深海耐压壳的轻质仿生贝壳珍珠层复合结构及潜器

本发明涉及深海耐压结构设计领域，具体地，涉及一种用于深海耐压壳的轻质仿生贝壳珍珠层复合结构及潜器。

背景技术：

1、在深海耐压结构设计方面，复合材料由于在减重方面的优越表现，被认为是传统金属材料的有力替代方案。在轻量化设计的同时，安全性作为评估设计方案可行性的重要因素之一，也应该被纳入考虑。深海耐压结构常见的安全性问题有：高压静水的承载能力不足造成的失稳、单一压力结构内爆后引起的殉爆连锁反应等，均会对耐压结构的生命力造成不利影响。为解决这一问题，需要在设计过程中对“轻量”与“安全”、“抗拉”与“抗压”、“强度”与“韧性”等矛盾进行考虑，提升整体结构的抗冲击能力及吸能效果。因此，有必要提出一种新型抗冲击深海耐压结构，引入功能性的新材料铺层，并将其与原有设计方案创造性结合，从而提升整体性能。该方案对于深海潜器的设计和制造具有重要的工程参考价值。

2、现有公开号为cn104648638b的中国专利申请文献，其公开了一种深海仿生耐压壳体，由左端封头、右端封头和中部壳体构成一长度为l、宽度为b、旋转半径为r(x)的轴对称蛋壳形结构，其中，所述中部壳体的厚度t2为等强度变厚结构，所述左端封头的厚度t1和右端封头的厚度t3分别为等厚结构，所述左端封头与中部壳体为固定连接，所述右端封头与中部壳体通过法兰螺栓或者带有密封圈的活动舱盖相连接。

3、现有技术中的仿生耐压壳体难以兼容均质材料耐压壳强度、韧性不可兼得的矛盾，存在待改进之处。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于深海耐压壳的轻质仿生贝壳珍珠层复合结构及潜器。

2、根据本发明提供的一种用于深海耐压壳的轻质仿生贝壳珍珠层复合结构及潜器,包括仿生硬相材料层和仿生软相材料层，所述仿生硬相材料层至少设置有两层，任一相邻的两个所述仿生硬相材料层之间均设置有仿生软相材料层；复合结构的最内侧和最外侧均为仿生硬相材料层。

3、优选地，所述仿生硬相材料层包括陶瓷层。

4、优选地，所述仿生软相材料层包括玻璃纤维质层。

5、优选地，所述玻璃纤维质层包括玻璃纤维和树脂基体。

6、优选地，相邻的两个所述仿生软相材料层和仿生硬相材料层的厚度比例为(0.7-1):1。

7、优选地，所述仿生硬相材料层的密度范围为3000至4000kg/m3。

8、优选地，所述仿生软相材料层的密度范围：2000至3000kg/m3。

9、优选地，对于三层圆柱形耐压结构，圆柱形耐压结构最外层仿生硬相材料层的质量m1计算公式为：

10、m1＝ρ1v1

11、其中，圆柱形耐压结构最外层的仿生硬相材料层的体积v1的计算公式为：

12、

13、其中，位于外层的所述仿生硬相材料层的内径d1，圆柱形耐压结构最外层仿生硬相材料层的壁厚s1，长度为l，密度ρ1；

14、则圆柱形耐压结构位于中间层的所述仿生软相材料层的质量m2计算公式为：

15、m2＝ρ2v2

16、其中，圆柱形耐压结构位于中间层的仿生软相材料层的体积v2的计算公式为：

17、

18、d2＝d1+s1

19、其中，位于中间层的软相玻璃纤维质的内径d2，圆柱形耐压结构位于中间层的软相玻璃纤维质的壁厚s2，长度为l，密度ρ2；

20、圆柱形耐压结构最内层的仿生硬相材料层的质量m3计算公式为：

21、m3＝ρ3v3

22、其中，圆柱形耐压结构最内层的仿生硬相材料层的体积v3的计算公式为：

23、

24、d3＝d2+s2

25、其中，位于最内层的硬相陶瓷层的内径d3，圆柱形耐压结构位于最内层的硬相陶瓷层的壁厚s3，长度为l，密度ρ3。

26、优选地，对于三层球形耐压结构，球形耐压结构最外层的仿生硬相材料层的质量m1计算公式为：

27、m1＝ρ1v1

28、其中，球形耐压结构最外层的仿生硬相材料层的体积v1的计算公式为：

29、

30、其中，位于最外层的硬相陶瓷层的内径d1，球形耐压结构最外层硬相陶瓷层的壁厚s1，密度ρ1；

31、球形耐压结构位于中间层的仿生软相材料层的质量m2计算公式为：

32、m2＝ρ2v2

33、球形耐压结构位于中间层的仿生软相材料层的体积v2的计算公式为：

34、

35、d2＝d1+s1

36、其中，位于中间层的软相玻璃纤维质的内径d2，球形耐压结构位于中间层的软相玻璃纤维质的壁厚s2，密度ρ2；

37、球形耐压结构最内层的仿生硬相材料层的质量m3计算公式为：

38、m3＝ρ3v3

39、其中，球形耐压结构最内层的仿生硬相材料层的体积v3的计算公式为：

40、

41、d3＝d2+s2

42、其中，位于最内层的硬相陶瓷层的内径d3，球形耐压结构最内层的硬相陶瓷层的壁厚s3，密度ρ3

43、根据本发明提供的一种,采用用于深海耐压壳的轻质仿生贝壳珍珠层复合结构。

44、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

45、1、本发明既可以满足静水高压承载的需要，在轻量化方面表现良好，还具有一定的增韧效果，在水下内爆发生后，可以在一定程度上削弱冲击波峰值，相较于传统耐压结构有较明显的优势，创造性地将贝壳珍珠层仿生结构应用至深海耐压壳，解决了均质材料耐压壳强度、韧性不可兼得的矛盾，兼具减重及吸能的防护效果，对深海耐压结构的设计具有重要意义。

技术特征：

1.一种用于深海耐压壳的轻质仿生贝壳珍珠层复合结构，其特征在于，包括仿生硬相材料层(1)和仿生软相材料层(2)，所述仿生硬相材料层(1)至少设置有两层，任一相邻的两个所述仿生硬相材料层(1)之间均设置有仿生软相材料层(2)；

2.如权利要求1所述的用于深海耐压壳的轻质仿生贝壳珍珠层复合结构，其特征在于，所述仿生硬相材料层(1)包括陶瓷层。

3.如权利要求1所述的用于深海耐压壳的轻质仿生贝壳珍珠层复合结构，其特征在于，所述仿生软相材料层(2)包括玻璃纤维质层。

4.如权利要求3所述的用于深海耐压壳的轻质仿生贝壳珍珠层复合结构，其特征在于，所述玻璃纤维质层包括玻璃纤维和树脂基体。

5.如权利要求1所述的用于深海耐压壳的轻质仿生贝壳珍珠层复合结构，其特征在于，相邻的两个所述仿生软相材料层(2)和仿生硬相材料层(1)的厚度比例为(0.7-1):1。

6.如权利要求1所述的用于深海耐压壳的轻质仿生贝壳珍珠层复合结构，其特征在于，所述仿生硬相材料层(1)的密度范围为3000至4000kg/m3。

7.如权利要求1所述的用于深海耐压壳的轻质仿生贝壳珍珠层复合结构，其特征在于，所述仿生软相材料层(2)的密度范围：2000至3000kg/m3。

8.如权利要求1所述的用于深海耐压壳的轻质仿生贝壳珍珠层复合结构，其特征在于，对于三层圆柱形耐压结构，圆柱形耐压结构最外层仿生硬相材料层(1)的质量m1计算公式为：

9.如权利要求1所述的用于深海耐压壳的轻质仿生贝壳珍珠层复合结构，其特征在于，对于三层球形耐压结构，球形耐压结构最外层的仿生硬相材料层(1)的质量m1计算公式为：

10.一种潜器，其特征在于，采用权1至权9任一项所述的用于深海耐压壳的轻质仿生贝壳珍珠层复合结构。

技术总结本发明提供了一种用于深海耐压壳的轻质仿生贝壳珍珠层复合结构及潜器，涉及深海耐压结构设计领域，包括仿生硬相材料层和仿生软相材料层，所述仿生硬相材料层至少设置有两层，任一相邻的两个所述仿生硬相材料层之间均设置有仿生软相材料层；复合结构的最内侧和最外侧均为仿生硬相材料层。既可以满足静水高压承载的需要，在轻量化方面表现良好，还具有一定的增韧效果，在水下内爆发生后，可以在一定程度上削弱冲击波峰值，相较于传统耐压结构有较明显的优势，创造性地将贝壳珍珠层仿生结构应用至深海耐压壳，解决了均质材料耐压壳强度、韧性不可兼得的矛盾，兼具减重及吸能的防护效果，对深海耐压结构的设计具有重要意义。技术研发人员：赵敏,张馨予,夏㛃,孙盛夏,郑建才,李明怡受保护的技术使用者：上海交通大学技术研发日：技术公布日：2024/7/4