深海無人潛水器系統(tǒng)中，耐壓密封艙的材料選擇與設(shè)計(jì)制造是關(guān)系到潛水器體積、重量等性能指標(biāo)甚至成敗的重要因素。隨著深度的增加，傳統(tǒng)的金屬材料耐壓密封艙質(zhì)量體積比也不斷增加，潛水器需要更多的浮力材料來實(shí)現(xiàn)其在水中的平衡，進(jìn)而造成潛水器重量、體積越來越龐大。在此背景下，深海無人潛水器系統(tǒng)中，耐壓密封艙的材料選擇與設(shè)計(jì)制造是關(guān)系到潛水器體積、重量等性能指標(biāo)甚至成敗的重要因素。隨著深度的增加，傳統(tǒng)的金屬材料耐壓密封艙質(zhì)量體積比也不斷增加，潛水器需要更多的浮力材料來實(shí)現(xiàn)其在水中的平衡，進(jìn)而造成潛水器重量、體積越來越龐大。

圍繞國(guó)家海洋戰(zhàn)略規(guī)劃，針對(duì)水下4000m無人潛水器對(duì)輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性耐壓結(jié)構(gòu)體關(guān)鍵部件的迫切需求，研制滿足4000m使用條件的圓柱形耐壓結(jié)構(gòu)體，通過對(duì)水下4000m無人潛水器的壓力測(cè)試，提供一種有效的水下4000m無人潛水器關(guān)鍵部件解決方案，為國(guó)家海洋戰(zhàn)略的順利實(shí)施提供關(guān)鍵材料、技術(shù)和裝備支撐。

水下4000m無人潛水器的結(jié)構(gòu)由端蓋、金屬連接環(huán)和復(fù)合材料筒體組成。密封、金屬端蓋與復(fù)合材料筒體連接及復(fù)合材料筒體設(shè)計(jì)為該潛水器的研制難點(diǎn)，本文僅針對(duì)復(fù)合材料的筒體及金屬端蓋的設(shè)計(jì)展開研究。

水下潛水器主要承受外壓載荷，需要考慮強(qiáng)度及穩(wěn)定性的需要。當(dāng)考慮強(qiáng)度時(shí)，由于外壓的作用使得復(fù)合材料筒體經(jīng)線及緯線的受力比約為1:2，考慮強(qiáng)度需要使用0°纖維與90°纖維的比約為1：2。目標(biāo)為水下4000m使用，安全系數(shù)為1.2倍，設(shè)計(jì)壓力48Mpa。

由于復(fù)合材料筒體使用纏繞工藝，纏繞機(jī)不能纏繞0°纖維，需要小角度纏繞，所以小角度的纖維比略大于1：2。在考慮穩(wěn)定性時(shí)，由于周向的表面積大于軸向的表面積需要繼續(xù)增加90°的纏繞層比例。在經(jīng)過多次設(shè)計(jì)后，選取25mm厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

由于金屬端蓋與復(fù)合材料連接區(qū)域存在幾何不連續(xù)，在承受外壓載荷時(shí)，連接區(qū)域存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，對(duì)金屬端蓋進(jìn)行設(shè)計(jì)可緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象，使設(shè)計(jì)更為合理。從纖維受力分析可看出，纖維縱向壓縮為519MPa，纖維許用值為900MPa，預(yù)計(jì)破壞載荷為83.2MPa。屈曲系數(shù)為2.46，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)線性屈曲系數(shù)取1.4，折算出屈曲載荷為84.3MPa，破壞強(qiáng)度與失穩(wěn)系數(shù)相當(dāng)。

經(jīng)過設(shè)計(jì)與纏繞工藝成型，制作成25mm壁厚的復(fù)合材料耐壓殼體，通過試驗(yàn)最終爆破強(qiáng)度為90Mpa。滿足48Mpa的使用載荷，并且與預(yù)計(jì)爆破載荷83.2MPa的誤差為7.6%。認(rèn)為設(shè)計(jì)合理可信。

本文通過對(duì)4000m級(jí)的水下復(fù)合材料殼體的設(shè)計(jì)，總結(jié)出適用于承受水下外壓下的復(fù)合材料耐壓殼體的結(jié)論：根據(jù)使用工況及經(jīng)濟(jì)性，4000m級(jí)水下耐壓殼體設(shè)計(jì)為強(qiáng)度破壞的，可以選用T700級(jí)的碳纖維；設(shè)計(jì)為屈曲破壞的，可以考慮高模碳纖維，鈦合金的電化學(xué)腐蝕性能及強(qiáng)度均好于鋁合金，本方案選擇T700碳纖維及鈦合金方案。

由于金屬端蓋與復(fù)合材料筒體相連接，在連接區(qū)域存在幾何非線性，承受外壓時(shí)會(huì)形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，不同的封頭形式對(duì)復(fù)合材料筒體形成的應(yīng)力集中不同，通過對(duì)封頭形式的設(shè)計(jì)能夠有效緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象，使破壞載荷提高。耐壓殼體在承受外壓時(shí)，復(fù)合材料筒體與金屬端蓋的連接區(qū)域，不僅存在薄膜力還存在面外內(nèi)力矩的作用，薄膜力使復(fù)合材料筒體承受壓應(yīng)力，面內(nèi)外力矩使復(fù)合材料筒體承受彎矩載荷。通過復(fù)合材料筒體鋪層順序調(diào)整可以緩解彎矩引起的應(yīng)力集中，使破壞載荷提高。