一種水下復合材料耐壓殼體開孔后密封補強結構及應用

1.本發明屬于水下航行器領域，具體涉及一種水下復合材料耐壓殼體開孔后密封補強結構及應用。


背景技術：

2.自主水下航行器是目前海洋工程領域研究的熱點，在軍用和民用兩方面都發揮著極其重要的作用。航行器在工作時大部分時間都處在深海當中，因此殼體結構必須要有足夠強度和穩定性才能保證航行器內部設備的運行安全。傳統耐壓殼體一般采用高強度金屬材料加工而成。近年來，由于比強度低，密度小等諸多優點，纖維增強材料，陶瓷等非金屬材料廣泛應用于各個工程領域。使用復合材料材等非金屬材料代替傳統金屬材料制造耐壓殼體可以有效提高航行器的負載能力，從而豐富航行器的功能以及增長工作時長。
3.為滿足航行器的某些功能需求，不可避免的要在耐壓殼體上開孔。而開孔會引起局部的應力集中，降低孔體整體結構強度，因此需要在開孔周圍進行補強以滿足設計需求。而復合材料材料由于其的特殊材料屬性，例如纖維增強材料的纖維斷裂等，往往在開孔后難以實現局部結構的增強以及良好的密封性能。目前，國內外主要針對復合材料平板的開孔及補強技術研究比較多，例如201010517846.4“一種用于層合復合材料承力結構開孔補強的方法”以及200810137032.0“纖維增強樹脂復合材料構件的開孔補強方法及補強片”均提出了采用預制補強片對開孔區域進行補強的方法。201210456975.6“一種纖維復合材料開孔制件的補強片設計及補強方法”中提出一種針對開孔區域鋪設環向及徑向纖維的方向后進行固化增強，此種方法設計較為靈活。然而，以上方法僅僅適用于平板結構補強，很難適用于柱殼，球殼等異形殼體的補強問題。且以上技術方法并未包含密封性方面的設計，因為難以滿足水下航行器復合材料耐壓結構對密封性的要求。因此，十分有必要設計針對復合材料耐壓殼體的開孔后補強結構系統。
4.針對航行器中復合材料殼體開孔的密封問題，201310702634.7中發明了一種“纖維復合材料承壓殼體接管或開孔補強方法”，采用逐層敷設變直徑預浸膠的纖維布的方法達到對復合材料開孔區域進行補強的需求，可用于解決曲面殼體的開孔補強問題。但此方法工藝較為復雜且精度要求較高，且此結構為永久密封，不適用于需靈活拆卸的外接負載開孔處的密封設計。202011147344.7中發明一種“一種纖維樹脂基復合材料耐壓殼體開孔補強密封結構”中提出用金屬加強件、端蓋以及密封圈對復合材料開孔殼體進行密封的結構。但此結構中的端蓋與加強件的螺紋連接存在密封風險，擰得過松密封圈壓縮量無法保證，擰得過緊導致加強件與殼體粘接面脫膠。


技術實現要素：

5.要解決的技術問題：
6.為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種水下復合材料耐壓殼體開孔后密封補強結構，主要是承受靜水外壓下的耐壓殼體。本系統可以實現對任意形式開孔的復合
材料耐壓殼體的補強，提高殼體開孔處結構強度的同時保證殼體的密封性。
7.本發明的技術方案是：一種水下復合材料耐壓殼體開孔后密封補強結構，其特征在于：包括密封蓋、頂緊螺母、外孔套和內孔套；
8.所述內孔套包括第一筒體，其底部沿周向向外延伸有第一環板底板，所述第一環板底板的上表面與殼體內壁面相貼合；所述第一筒體的上端外周面開有外螺紋；
9.所述外孔套包括第二筒體，其底部沿周向向外延伸有第二環板底板，所述第二環板底板的下表面與殼體外壁面相貼合；所述第二筒體的高度小于第一筒體；
10.所述頂緊螺母為內周面設置有內螺紋的圓環結構；
11.所述外孔套和內孔套同軸套裝于殼體開孔處的外側和內側；所述頂緊螺母的內螺紋與外孔套的外螺紋配合安裝，其下端面與外孔套的第二筒體頂部接觸，通過擰緊頂緊螺母將外孔套和內孔套連接為一體，并通過內、外孔套的環板底板將殼體的孔邊殼體部分夾緊；所述密封蓋封裝于內孔套的第一筒體頂部。
12.本發明的進一步技術方案是：所述內孔套和外孔套之間設置有內孔套密封圈。
13.本發明的進一步技術方案是：所述內孔套的外周面上開有環形凹槽，用于安裝內孔套密封圈。
14.本發明的進一步技術方案是：所述內孔套和密封蓋之間設置有密封蓋密封圈。
15.本發明的進一步技術方案是：所述密封蓋的頸部外周面開有環形凹槽，用于安裝密封蓋密封圈；密封蓋頸部的外周面與內孔套筒體內表面相貼合，在外靜水壓的作用下完成對筒體的密封。
16.本發明的進一步技術方案是：所述內孔套、外孔套的環板底板與殼體之間通過高強度樹脂膠粘接。
17.本發明的進一步技術方案是：所述內孔套的外周面和外孔套的內周面粗糙度均為1.6。
18.本發明的進一步技術方案是：所述內孔套和外孔套的環板底板表面均進行滾花處理，用于防滑。
19.本發明的進一步技術方案是：所述頂緊螺母的外周面截面為六邊形，便于使用擰緊扳手進行緊固。
20.一種水下復合材料耐壓殼體開孔后密封補強結構的應用，其特征在于：所述密封補強結構用于復合材料耐壓殼體開孔處的密封補強；所述內孔套的第一環板底板上表面與耐壓殼體內壁的圓弧半徑一致，所述外孔套的第二環板底板下表面與耐壓殼體外壁的圓弧半徑一致。
21.有益效果
22.本發明的有益效果在于：本發明提出一種用于含開孔的復合材料耐壓殼體的補強系統，包含內孔套，外孔套，密封蓋，密封圈和頂緊螺母。利用金屬件易加工精度高的優勢配合使用將復合材料開孔殼體補強，通過改變內孔套和外孔套的底板及筒體用于不同形式的殼體及開孔，適用范圍廣。
23.金屬內外孔套的底板與殼體孔周通過粘接方式連接，采用此種連接方式保證耐壓殼體孔周結構的完整性，避免造成二次破壞。將底板需粘接弧面均滾花處理，使其在與殼體孔周表面粘接時具有良好的可靠性。
24.內孔套密封槽的設置保證了內外套筒接觸面之間的密封性能。密封蓋與內孔套相配合，在密封槽的作用下實現筒體開孔的密封。
25.頂緊螺母使得內外孔套與孔周粘接部分的殼體結構越壓越緊，不僅提高了局部的強度而且增強了其密封性能。
26.通過對比實驗對本發明的補強及密封效果進行了驗證。設計加工三個直徑為200mm，長度為375mm的碳纖維復合材料圓柱殼體。隨后將其中兩個殼體進行開孔加工，以殼體軸向中部位置為圓心加工直徑為100mm圓孔。依據本發明設計適用于此開孔殼體的補強系統對殼體進行補強密封。將三個殼體分別進行靜水打壓試驗，結果顯示完整殼體的爆破壓力為3.06mpa，兩補強殼體的爆破壓力分別為3.09mpa和3.32mpa，且兩補強殼體的破壞位置均發在未補強區域(見圖6)。實驗結果表明本發明具有良好的補強效果及密封性，并且證明本發明系統十分可靠。
附圖說明
27.圖1(a)為本發明用于含開孔的復合材料耐壓殼體的補強結構剖視圖。
28.圖1(b)為本發明用于含開孔的復合材料耐壓殼體的補強結構側視圖。
29.圖2(a)為本發明內孔套結構軸側圖。
30.圖2(b)為本發明內孔套結構俯視圖。
31.圖2(c)為本發明內孔套結構立體圖。
32.圖3(a)為本發明外孔套結構軸側圖。
33.圖3(b)為本發明外孔套結構俯視圖。
34.圖3(c)為本發明外孔套結構立體圖。
35.圖4(a)為本發明頂緊螺母剖視圖。
36.圖4(b)為本發明頂緊螺母俯視圖。
37.圖4(c)為本發明頂緊螺母立體圖。
38.圖5(a)為本發明密封蓋剖視圖。
39.圖5(b)為本發明密封蓋立體圖。
40.圖6為本發明實驗對比圖。
41.附圖標記說明：1-開孔耐壓殼體，2-內孔套密封圈，3-密封蓋密封圈，4-密封蓋，5-頂緊螺母，6-外孔套，7-內孔套。
具體實施方式
42.下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
43.在本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”、“順時針”、“逆時針”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
44.參照圖1(a)，本發明一種用于含開孔的復合材料耐壓殼體的補強結構，由內孔套
密封圈2，密封蓋密封圈3，密封蓋4，頂緊螺母5，外孔套6，內孔套7組成。以上結構配合使用完成對開孔耐壓殼體1的補強密封。其中外孔套6和內孔套7為補強系統的主要金屬部件，由底板和通體兩部分組成，可優選高強度鈦合金材料tc4。
45.所述內孔套7包括第一筒體，其底部沿周向向外延伸有第一環板底板，所述第一環板底板的上表面與殼體內壁面相貼合；所述第一筒體的上端外周面開有外螺紋；
46.所述外孔套6包括第二筒體，其底部沿周向向外延伸有第二環板底板，所述第二環板底板的下表面與殼體外壁面相貼合；所述第二筒體的高度小于第一筒體；
47.所述頂緊螺母5為內周面設置有內螺紋的圓環結構；
48.所述外孔套6和內孔套7同軸套裝于殼體開孔處的外側和內側；頂緊螺母5的內螺紋與外孔套6的外螺紋配合安裝，其下端面與外孔套6的第二筒體頂部接觸，通過擰緊頂緊螺母5將外孔套6和內孔套7連接為一體，并通過內、外孔套的環板底板將殼體的孔邊殼體部分夾緊；所述密封蓋4封裝于內孔套的第一筒體頂部。
49.所述內孔套7的外周面上開有環形凹槽，用于安裝內孔套密封圈2，實現內孔套7和外孔套8之間的密封；所述密封蓋4的頸部外周面開有環形凹槽，用于安裝密封蓋密封圈3，實現內孔套7和密封蓋4之間的密封；密封蓋4頸部的外周面與內孔套7筒體內表面相貼合，在外靜水壓的作用下完成對筒體的密封。
50.本實施例中，所述密封補強結構用于復合材料耐壓圓柱殼體開孔處的密封補強；內孔套7可首選鈦合金tc4加工而成，包括底板和筒體兩部分，其中底板上弧面與殼體內表面形狀相吻合。底板弧面經滾花處理，上弧面通過高強度樹脂膠與殼體孔周內表面粘接在一起。筒體部分外徑與開孔大小保持一致，其上加工有一道密封槽，用以實現內孔套7筒體和外孔套6筒體的密封。筒體內圓上端加工有倒角，方便密封蓋4頸部的安裝配合。
51.外孔套6可首選鈦合金tc4加工而成，包括底板和筒體兩部分，其中底板下弧面與殼體外表面形狀相吻合。底板弧面經滾花處理。筒體部分內徑與內孔套7筒體外徑大小保持一致，安裝時保持兩筒體同軸。外孔套6筒體的高度要低于內孔套7螺紋位置的最低點。外孔套6下弧面通過高強度樹脂膠與殼體孔周外表面粘接在一起。
52.頂緊螺母5可選用鋁合金材料7075，其與內孔套7上的外螺紋相配合。用配做的扳手將其擰緊使兩孔套的底板將開孔殼體1夾緊。
53.密封蓋4可選用鋁合金材料7075，其頸部外徑與內孔套7的筒體內徑保持一致。其頸部加工有一道密封槽，實現內孔套7筒體的密封。
54.機械裝配時，內孔套7經由殼體內部將筒體部分從開孔處伸出，底板上弧面涂上高強度樹脂膠，其與殼體孔周內表面粘接固定。將內孔套密封圈2安裝在內孔套7的筒體部分的密封槽內。外孔套6的下弧面涂上高強度樹脂膠，其筒體部分套裝于內孔套7的筒體后與殼體孔周外表面粘接固定。頂緊螺母5需在兩孔套粘接完好后與內孔套7的螺紋擰緊配合，其作用使得兩孔套的底板將孔周的殼體夾緊。在密封蓋4內的密封槽內安裝密封圈3，最后將其頸部深入內孔套7的筒體部分完成筒體的密封。由于在外壓作用下越壓越緊，因此密封蓋4可不用考慮固定方式。最后可在補強后殼體外表面涂上一層聚氨酯，做為進一步防滲水處理。
55.盡管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在不脫離本發明的原理和宗旨
的情況下在本發明的范圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。