用于深海承压的复合结构及深海潜器

本发明涉及深海耐压结构设计领域，具体地，涉及一种用于深海承压的复合结构及深海潜器。

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、在深海耐压结构设计方面，复合材料被认为是传统金属材料的替代方案，在减重方面表现良好，但在承压、韧性、安全性方面存在很多不足。

3、现有公开号为cn117465640a的中国专利申请文献，其公开了一种用于深海内爆防护的轻质复合球形耐压结构及深海潜器，包括空心陶瓷球内衬和cfrp外层，所述cfrp外层包覆在所述空心陶瓷球内衬的外表面，二者配合形成陶瓷？cfrp复合球形耐压结构。

4、现有技术将碳纤维增强聚合物复合材料与陶瓷结合，希望解决传统深海耐压结构“抗拉”及“抗压”特性难以兼得的缺陷，提升结构安全性。然而，碳纤维增强聚合物复合材料具有质脆且损坏后难以修复的缺陷，仅将其与陶瓷进行结合，仍存在韧性较差的问题。

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承压的复合结构及深海潜器。

2、根据本发明提供的一种用于深海承压的复合结构及深海潜器,包括碳纤维铺层、芳纶纤维铺层以及陶瓷层，所述陶瓷层、芳纶纤维铺层以及碳纤维铺层自内向外依次叠层设置；所述芳纶纤维铺层与陶瓷层连接，所述碳纤维铺层与芳纶纤维铺层连接。

3、优选地，所述陶瓷层的密度范围为：3000-4000kg/m3。

4、优选地，所述芳纶纤维铺层的密度范围为：1000-2000kg/m3。

5、优选地，所述碳纤维铺层的密度范围为：1000-2000kg/m3。

6、优选地，所述碳纤维铺层、芳纶纤维铺层以及陶瓷层的厚度比例为：(0.7-1):(0.7-1):1。

7、优选地，复合结构的形状包括球形或圆筒形。

8、优选地，所述陶瓷层的壁厚s1应满足实际作业水深下的承载条件，并通过安全系数的校核；

9、深海潜器的作业水深h，作业水深条件下耐压结构周围水的静压力为：

10、pwater＝ρgh

11、其中，ρ为流体密度，g为重力加速度。

12、优选地，对于球形耐压结构，其壁厚s1_qiu校核公式为：

13、

14、其中，d1_qiu为球形耐压结构的内径，[σt_qiu]为球形耐压结构选用脆性材料的许用应力,为焊缝系数，在无焊接的理想情况下取1，p为复合结构内部的空气静压，c为设计余量；

15、许用应力[σt_qiu]的计算公式为：

16、[σt_qiu]＝σb_qiu/n

17、其中，σb_qiu为球形耐压结构选用脆性材料的强度极限，n为安全系数，根据实际工程的需要选用。

18、优选地，对于圆柱形管状耐压结构，其壁厚s1_guan校核公式为：

19、

20、其中，d1_guan为球形耐压结构的内径，[σt_guan]为球形耐压结构选用脆性材料的许用应力,为焊缝系数，在无焊接的理想情况下取1，p为复合结构内部的空气静压，c为设计余量；

21、许用应力[σt_guan]的计算公式为：

22、[σt_guan]＝σb_guan/n

23、其中，σb_guan为圆柱形管状耐压结构选用脆性材料本身的强度极限，n为安全系数，根据实际工程的需要选用。

24、根据本发明提供的一种深海潜器，采用用于深海承压的复合结构。

25、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

26、1、本发明通过引入芳纶纤维铺层，将碳纤维铺层、芳纶纤维铺层、陶瓷层三者进行组合，形成了一种多功能的层叠式结构，能够较好地发挥出不同铺层材料的性能优势，减小压力峰值，削弱不良影响，有较好的抗冲击性能及防护效果，且达到了满足高压承载及抗内爆冲击等多重功效。

技术特征：

1.一种用于深海承压的复合结构，其特征在于，包括碳纤维铺层(1)、芳纶纤维铺层(2)以及陶瓷层(3)，所述陶瓷层(3)、芳纶纤维铺层(2)以及碳纤维铺层(1)自内向外依次叠层设置；

2.如权利要求1所述的用于深海承压的复合结构，其特征在于，所述陶瓷层(3)的密度范围为：3000-4000kg/m3。

3.如权利要求1所述的用于深海承压的复合结构，其特征在于，所述芳纶纤维铺层(2)的密度范围为：1000-2000kg/m3。

4.如权利要求1所述的用于深海承压的复合结构，其特征在于，所述碳纤维铺层(1)的密度范围为：1000-2000kg/m3。

5.如权利要求1所述的用于深海承压的复合结构，其特征在于，所述碳纤维铺层(1)、芳纶纤维铺层(2)以及陶瓷层(3)的厚度比例为：(0.7-1):(0.7-1):1。

6.如权利要求1所述的用于深海承压的复合结构，其特征在于，复合结构的形状包括球形或圆筒形。

7.如权利要求1所述的用于深海承压的复合结构，其特征在于，所述陶瓷层(3)的壁厚s1应满足实际作业水深下的承载条件，并通过安全系数的校核；

8.如权利要求7所述的用于深海承压的复合结构，其特征在于，对于球形耐压结构，其壁厚s1_qiu校核公式为：

9.如权利要求7所述的用于深海承压的复合结构，其特征在于，对于圆柱形管状耐压结构，其壁厚s1_guan校核公式为：

10.一种深海潜器，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的用于深海承压的复合结构。

技术总结本发明提供了一种用于深海承压的复合结构及深海潜器，涉及深海耐压结构设计领域，包括碳纤维铺层、芳纶纤维铺层以及陶瓷层，所述陶瓷层、芳纶纤维铺层以及碳纤维铺层自内向外依次叠层设置；所述芳纶纤维铺层与陶瓷层连接，所述碳纤维铺层与芳纶纤维铺层连接。通过引入芳纶纤维铺层，将碳纤维铺层、芳纶纤维铺层、陶瓷层三者进行组合，形成了一种多功能的层叠式结构，能够较好地发挥出不同铺层材料的性能优势，减小压力峰值，削弱不良影响，有较好的抗冲击性能及防护效果，且达到了满足高压承载及抗内爆冲击等多重功效。技术研发人员：赵敏,张馨予,夏㛃,蒋垣腾,郑建才,孙盛夏,黄己协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：2024/7/15