近年來。隨著科學技術(shù)的發(fā)展和對能源需求的不斷提高，人類對海洋的認識和開發(fā)力度亦不斷增加，并逐步向深海擴展。深海載人潛水器在海洋開發(fā)中具有無可比擬的優(yōu)越性。由于深海載人潛水器的特殊地位和作用，美、法、日、俄等國早已開展了深海載人潛水器的研制工作。美國建造了“Alvin”4 500m載人潛水器，法國建造了“Nautile”6 000m載人潛水器，日本建造了“Shinkai 6 500”6 500m載人潛水器，俄羅斯建造了“Consul”6 000m載人潛水器。目前，我國正在進行大深度載人潛水器的研制工作。載人潛水器結(jié)構(gòu)中，除了能承受深水壓力的耐壓殼外，還有輕外殼。輕外殼除形成并保持潛水器的外形，以提高潛水器的水動力性能之外，還承擔著保護潛水器內(nèi)部設(shè)備的重要使命。當潛水器潛入水下時，輕外殼所包絡(luò)的內(nèi)部空間進水，與外部海水相連通，內(nèi)、外壓力平衡，故輕外殼結(jié)構(gòu)內(nèi)、外側(cè)僅承受深海靜水壓力；但在水面時須要具有一定的抗沖擊能力。輕外殼結(jié)構(gòu)主要是由外部殼板和內(nèi)部構(gòu)架組成。外部殼板形成潛水器外形；內(nèi)部構(gòu)架為外部殼板提供支承，并固定在載體主框架上。

    上述大深度載人潛水器都無一例外地使用了各種復(fù)合材料作為潛水器輕外殼殼板。這是由于與其它材料相比，復(fù)合材料具有很多優(yōu)異的性能：無磁透波、輕質(zhì)高強、成型方便、結(jié)構(gòu)可設(shè)計等。眾所周知，玻璃鋼（FRP）是水下機器人常用的復(fù)合材料之一。在我國現(xiàn)有的潛水器規(guī)范中，僅涉及耐壓殼體的設(shè)計、材料、制造，而對潛水器輕外殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度準則和加工建造要求均未提及。因此，本文以深海載人潛水器輕外殼的設(shè)計為工程背景，闡述了輕外殼的使用條件和技術(shù)要求，輕外殼材料選擇原則、輕外殼產(chǎn)品的成型工藝，以及應(yīng)用實例分析，并通過深海模擬壓力筒保壓試驗，對其物理和機械性能進行試驗驗證。上述研究工作將為深海水下機器人（HOV，ROV，AUV）輕外殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供依據(jù)，并為編制我國大深度載人潛水器人級和建造規(guī)范奠定基礎(chǔ)。

“蛟龍?zhí)?rdquo;深潛器

    輕外殼的使用條件和關(guān)鍵技術(shù)

    輕外殼的使用條件

    環(huán)境溫度為一2lC～50lC，介質(zhì)為海水和海洋大氣環(huán)境；海況等級：4級布放，5級回收；工作區(qū)域為太平洋7 000m 以內(nèi)海區(qū)；使用壽命為10年。

    關(guān)鍵技術(shù)要求

    根據(jù)輕外殼的使用條件，必須解決如下所述的幾個關(guān)鍵技術(shù)：

    ① 質(zhì)量要輕，比強度、比剛度要高；

    ② 能夠承受潛水器布放和回收過程中的波浪沖擊載荷；

    ⑧ 布置和分塊合理，便于安裝、拆卸，維護方便；

    ④ 成型工藝性好，產(chǎn)品變形量?。?/span>

    ⑤ 耐腐蝕性。

    船用玻璃鋼材料的選擇

    船用玻璃鋼材料選擇的依據(jù)

    船用玻璃鋼材料的選擇既要滿足輕外殼的使用條件和關(guān)鍵技術(shù)要求，又要考慮我國船用玻璃鋼和高性能復(fù)合材料的生產(chǎn)及應(yīng)用情況。我國船用玻璃鋼主要分為兩類：一類是通用型，另一類是高強型。此外，我國還研制出碳纖維及碳纖維與高強玻璃纖維混雜增強的復(fù)合材料，超高分子量聚乙烯纖維與高強玻璃纖維混雜增強的復(fù)合材料等。

    船用玻璃鋼材料的選擇原則和關(guān)鍵技術(shù)分析

    船用玻璃鋼材料的選擇原則

    根據(jù)輕外殼使用條件和技術(shù)要求，在選擇玻璃鋼材料時應(yīng)重點考慮以下幾種情況：

    ① 樹脂基體應(yīng)具有優(yōu)良的耐水性和較高的斷裂伸長率；

    ② 樹脂基體應(yīng)具有良好的工藝性能；

    ⑧ 增強纖維選擇高模高強玻璃纖維，必要時選擇一定量的碳纖維，以提高材料的強度和剛度；

    ④ 通過試驗確定玻璃鋼在大深度水下的物理和力學性能。

    關(guān)鍵技術(shù)分析

    ① 降低玻璃鋼材料內(nèi)部空隙含量技術(shù)；

    ② 提高玻璃鋼制品在大深度水下濕態(tài)強度保留率技術(shù)；

    ⑧ 確定提高玻璃鋼制品剛度的措施，其中包括采用合理的結(jié)構(gòu)型式；

    ④ 降低玻璃鋼制品收縮及變形技術(shù)。

    玻璃鋼材料選擇考慮

    根據(jù)輕外殼使用條件和技術(shù)要求中的玻璃鋼技術(shù)性能指標（干態(tài)）要求，結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有船用復(fù)合材料研制應(yīng)用情況，選擇船用高強玻璃鋼材料比較合適。高強玻璃鋼的一些主要性能均可滿足上述的技術(shù)要求，但其彈性模量偏低達不到要求，相差比較大。

    欲提高高強玻璃鋼材料的彈性模量，可采用下述方法：

    ① 在玻璃纖維增強材料中配置一定比例的碳纖維；

    ② 提高加強筋的剛度，選擇合適的結(jié)構(gòu)要素；

    ③ 采用模壓工藝成型。

    如果采用方法① ，須作混雜比試驗，以便確定碳纖維與高強玻璃纖維的混雜比，但碳纖維與一些低電位金屬（如鋁、鐵）會發(fā)生電化學腐蝕；如果采用方法② ，須計算所需剛度及加強筋布置；如果采用方法⑧ ，須耗費較大資金作金屬模具及采用大工作臺面的加壓設(shè)備。本文暫不考慮方法⑧ 。根據(jù)上述分析，本文采用方法② 來提高玻璃鋼材料的彈性模量。樹脂基體應(yīng)選擇具有較高韌性，耐水性優(yōu)良的乙烯基酯樹脂，如3201 ，411 等。乙烯基酯樹脂的特點是：具有不飽和聚酯樹脂的優(yōu)良工藝性，同時還具有環(huán)氧樹脂高的粘結(jié)性能，所以現(xiàn)在一般要求較高的玻璃鋼制品，采用該類樹脂是比較合適的。增強材料的選擇，由于復(fù)合材料的彈性模量較低，如果常溫常壓下（干態(tài)）玻璃鋼材料的彈性模量要求在20GPa左右，則可完全采用高模量玻璃布或高強度玻璃布。從鋪層角度考慮應(yīng)選擇Mw一220或SW一220為宜，織紋為4枚緞，表面浸潤劑為JF45。

    耐腐蝕性

    海水的腐蝕作用分為兩類：化學腐蝕和電化學腐蝕?；瘜W腐蝕可用適當?shù)谋Ｗo層和預(yù)防性保養(yǎng)使之減至最??；電化學腐蝕可以靠材料的選擇及陽極保護使之減至最小。深海載人潛水器輕外殼選材時，首先必須注意到金屬與復(fù)合材料之間的電位差，因為電位差的存在會發(fā)生電偶腐蝕問題。

    ① 由于玻璃纖維是不導(dǎo)電的，因而它是一種理想的電絕緣體，它能起到某種隔斷電化學腐蝕回路的功能，不會引起任何金屬材料出現(xiàn)電化學腐蝕，因此，它是輕外殼結(jié)構(gòu)材料的理想選擇。

    ② 碳纖維復(fù)合材料是以碳絲為增強劑的新型材料。碳能導(dǎo)電，碳的電化學特性與貴金屬相似，在許多電介質(zhì)溶液中呈現(xiàn)出正電位，當它與大多數(shù)金屬連接時，由于電位差將引起金屬材料出現(xiàn)電化學腐蝕的潛在危險。盡管鈦合金與碳復(fù)合材料的電位較接近（表2），但在潛水器上安裝的設(shè)備（如機械手及其電子閥箱、螺旋槳葉等）中，還有鋁合金和不銹鋼等低電位的金屬存在，所以不推薦碳纖維復(fù)合材料作為輕外殼的結(jié)構(gòu)材料。

    ③ 機械連接是輕外殼的主要連接形式，考慮到復(fù)合材料連接接頭的接觸腐蝕問題，所有連接緊固件（螺栓、螺釘、螺母和墊圈）必須選用鈦合金材料。

    結(jié)論

    玻璃鋼輕外殼選材原則，不僅要滿足強度和剛度等要求，還要考慮到復(fù)合材料與其它低電位金屬材料發(fā)生電化學腐蝕的潛在危險，這是水下產(chǎn)品選材的特點之一。對于嵌入到復(fù)合材料內(nèi)部的金屬件，當二者共固化時，金屬件的布置應(yīng)處于對稱位置，并盡量選用電位和熱膨脹系數(shù)與復(fù)合材料相近的材料。由于玻璃鋼彈性模量和層間剪切強度較低，耐久性也差，這將使結(jié)構(gòu)件的連接強度降低、剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計的形式和分塊難度增加，設(shè)計者必須進行綜合均衡，優(yōu)化設(shè)計。

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責任編輯：王元

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