近年来。随着科学技术的发展和对能源需求的不断提高，人类对海洋的认识和开发力度亦不断增加，并逐步向深海扩展。深海载人潜水器在海洋开发中具有无可比拟的优越性。由于深海载人潜水器的特殊地位和作用，美、法、日、俄等国早已开展了深海载人潜水器的研制工作。美国建造了“Alvin”4 500m载人潜水器，法国建造了“Nautile”6 000m载人潜水器，日本建造了“Shinkai 6 500”6 500m载人潜水器，俄罗斯建造了“Consul”6 000m载人潜水器。目前，我国正在进行大深度载人潜水器的研制工作。载人潜水器结构中，除了能承受深水压力的耐压壳外，还有轻外壳。轻外壳除形成并保持潜水器的外形，以提高潜水器的水动力性能之外，还承担着保护潜水器内部设备的重要使命。当潜水器潜入水下时，轻外壳所包络的内部空间进水，与外部海水相连通，内、外压力平衡，故轻外壳结构内、外侧仅承受深海静水压力；但在水面时须要具有一定的抗冲击能力。轻外壳结构主要是由外部壳板和内部构架组成。外部壳板形成潜水器外形；内部构架为外部壳板提供支承，并固定在载体主框架上。

    上述大深度载人潜水器都无一例外地使用了各种复合材料作为潜水器轻外壳壳板。这是由于与其它材料相比，复合材料具有很多优异的性能：无磁透波、轻质高强、成型方便、结构可设计等。众所周知，玻璃钢（FRP）是水下机器人常用的复合材料之一。在我国现有的潜水器规范中，仅涉及耐压壳体的设计、材料、制造，而对潜水器轻外壳的结构设计、强度准则和加工建造要求均未提及。因此，本文以深海载人潜水器轻外壳的设计为工程背景，阐述了轻外壳的使用条件和技术要求，轻外壳材料选择原则、轻外壳产品的成型工艺，以及应用实例分析，并通过深海模拟压力筒保压试验，对其物理和机械性能进行试验验证。上述研究工作将为深海水下机器人（HOV，ROV，AUV）轻外壳结构的设计提供依据，并为编制我国大深度载人潜水器人级和建造规范奠定基础。

“蛟龙号”深潜器

    轻外壳的使用条件和关键技术

    轻外壳的使用条件

    环境温度为一2lC～50lC，介质为海水和海洋大气环境；海况等级：4级布放，5级回收；工作区域为太平洋7 000m 以内海区；使用寿命为10年。

    关键技术要求

    根据轻外壳的使用条件，必须解决如下所述的几个关键技术：

    ① 质量要轻，比强度、比刚度要高；

    ② 能够承受潜水器布放和回收过程中的波浪冲击载荷；

    ⑧ 布置和分块合理，便于安装、拆卸，维护方便；

    ④ 成型工艺性好，产品变形量小；

    ⑤ 耐腐蚀性。

    船用玻璃钢材料的选择

    船用玻璃钢材料选择的依据

    船用玻璃钢材料的选择既要满足轻外壳的使用条件和关键技术要求，又要考虑我国船用玻璃钢和高性能复合材料的生产及应用情况。我国船用玻璃钢主要分为两类：一类是通用型，另一类是高强型。此外，我国还研制出碳纤维及碳纤维与高强玻璃纤维混杂增强的复合材料，超高分子量聚乙烯纤维与高强玻璃纤维混杂增强的复合材料等。

    船用玻璃钢材料的选择原则和关键技术分析

    船用玻璃钢材料的选择原则

    根据轻外壳使用条件和技术要求，在选择玻璃钢材料时应重点考虑以下几种情况：

    ① 树脂基体应具有优良的耐水性和较高的断裂伸长率；

    ② 树脂基体应具有良好的工艺性能；

    ⑧ 增强纤维选择高模高强玻璃纤维，必要时选择一定量的碳纤维，以提高材料的强度和刚度；

    ④ 通过试验确定玻璃钢在大深度水下的物理和力学性能。

    关键技术分析

    ① 降低玻璃钢材料内部空隙含量技术；

    ② 提高玻璃钢制品在大深度水下湿态强度保留率技术；

    ⑧ 确定提高玻璃钢制品刚度的措施，其中包括采用合理的结构型式；

    ④ 降低玻璃钢制品收缩及变形技术。

    玻璃钢材料选择考虑

    根据轻外壳使用条件和技术要求中的玻璃钢技术性能指标（干态）要求，结合国内现有船用复合材料研制应用情况，选择船用高强玻璃钢材料比较合适。高强玻璃钢的一些主要性能均可满足上述的技术要求，但其弹性模量偏低达不到要求，相差比较大。

    欲提高高强玻璃钢材料的弹性模量，可采用下述方法：

    ① 在玻璃纤维增强材料中配置一定比例的碳纤维；

    ② 提高加强筋的刚度，选择合适的结构要素；

    ③ 采用模压工艺成型。

    如果采用方法① ，须作混杂比试验，以便确定碳纤维与高强玻璃纤维的混杂比，但碳纤维与一些低电位金属（如铝、铁）会发生电化学腐蚀；如果采用方法② ，须计算所需刚度及加强筋布置；如果采用方法⑧ ，须耗费较大资金作金属模具及采用大工作台面的加压设备。本文暂不考虑方法⑧ 。根据上述分析，本文采用方法② 来提高玻璃钢材料的弹性模量。树脂基体应选择具有较高韧性，耐水性优良的乙烯基酯树脂，如3201 ，411 等。乙烯基酯树脂的特点是：具有不饱和聚酯树脂的优良工艺性，同时还具有环氧树脂高的粘结性能，所以现在一般要求较高的玻璃钢制品，采用该类树脂是比较合适的。增强材料的选择，由于复合材料的弹性模量较低，如果常温常压下（干态）玻璃钢材料的弹性模量要求在20GPa左右，则可完全采用高模量玻璃布或高强度玻璃布。从铺层角度考虑应选择Mw一220或SW一220为宜，织纹为4枚缎，表面浸润剂为JF45。

    耐腐蚀性

    海水的腐蚀作用分为两类：化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀可用适当的保护层和预防性保养使之减至最小；电化学腐蚀可以靠材料的选择及阳极保护使之减至最小。深海载人潜水器轻外壳选材时，首先必须注意到金属与复合材料之间的电位差，因为电位差的存在会发生电偶腐蚀问题。

    ① 由于玻璃纤维是不导电的，因而它是一种理想的电绝缘体，它能起到某种隔断电化学腐蚀回路的功能，不会引起任何金属材料出现电化学腐蚀，因此，它是轻外壳结构材料的理想选择。

    ② 碳纤维复合材料是以碳丝为增强剂的新型材料。碳能导电，碳的电化学特性与贵金属相似，在许多电介质溶液中呈现出正电位，当它与大多数金属连接时，由于电位差将引起金属材料出现电化学腐蚀的潜在危险。尽管钛合金与碳复合材料的电位较接近（表2），但在潜水器上安装的设备（如机械手及其电子阀箱、螺旋桨叶等）中，还有铝合金和不锈钢等低电位的金属存在，所以不推荐碳纤维复合材料作为轻外壳的结构材料。

    ③ 机械连接是轻外壳的主要连接形式，考虑到复合材料连接接头的接触腐蚀问题，所有连接紧固件（螺栓、螺钉、螺母和垫圈）必须选用钛合金材料。

    结论

    玻璃钢轻外壳选材原则，不仅要满足强度和刚度等要求，还要考虑到复合材料与其它低电位金属材料发生电化学腐蚀的潜在危险，这是水下产品选材的特点之一。对于嵌入到复合材料内部的金属件，当二者共固化时，金属件的布置应处于对称位置，并尽量选用电位和热膨胀系数与复合材料相近的材料。由于玻璃钢弹性模量和层间剪切强度较低，耐久性也差，这将使结构件的连接强度降低、刚性结构设计的形式和分块难度增加，设计者必须进行综合均衡，优化设计。

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责任编辑：王元

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