本發(fā)明屬于潛水器耐壓殼領域，具體涉及一種復合材料桶形耐壓殼一體化成型模具及其制備工藝。

背景技術：

1、潛水器是人類探索海洋、開發(fā)海洋資源必不可少的基礎裝備，耐壓殼作為潛水器的核心部件，在潛水器下潛過程中耐壓殼可以確保內部設備不被破壞以及工作人員的安全，其結構形式及材料的選擇直接影響到潛水器的有效載荷。目前應用最多的耐壓殼形式為圓柱形和球形，但圓柱形結構的穩(wěn)定性比較差，容易發(fā)生失穩(wěn)，球形結構空間利用率低、水動力學特性差，并且對于缺陷敏感性比較大、加工制造難度大，而帶有曲率的桶形結構中和了圓柱形和球形結構的弊端，體現了很好的性能。同時，加筋作為一種很普遍的提高耐壓殼穩(wěn)定性的方法，可以盡可能的控制材料性能的利用率和重量、成本的增加。

2、復合材料由于其比強度高、耐腐蝕、抗疲勞、材料可設計等特點，在潛水器耐壓殼的應用上顯示出極大的潛力，得到了世界各國潛水器研究機構的廣泛關注。使用碳纖維復合材料制作的耐壓殼，與同尺寸的金屬耐壓艙相對比，重量可減少50％左右。

3、纖維纏繞成型技術具有非常突出的優(yōu)點，其制備纖維體積含量高、可改變纖維纏繞角度，并且生產效率高，適用于類似圓柱形、桶形等回轉體構件的制備。目前，纖維纏繞復合材料殼體主要有4種類型，即單一螺旋纏繞、螺旋加環(huán)向纏繞、螺旋加縱向纏繞和縱向加環(huán)向纏繞。相比較于模壓、層壓等成型工藝，纖維纏繞工藝可以使殼體的工藝缺陷更少、力學性能更好。

技術實現思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種纖維纏繞的復合材料加筋桶形耐壓殼一體化成型模具及制備工藝，兩端通過圓角與圓柱形殼體過渡，可有效避免實驗時端蓋連接處的應力集中，制作出來的桶形耐壓殼穩(wěn)定性較佳，制造難度低，同時保證了殼體較優(yōu)的力學性能。

2、本發(fā)明采用纖維纏繞一體化成型工藝制備殼體，在筋纏繞完成(或金屬筋條加入)后，可根據筋條是否涂抹脫模劑和鋪貼脫模布，進而制造出是否加筋的桶形耐壓殼。

3、為實現以上目的，本發(fā)明采用的技術方案包括：

4、本發(fā)明提供了一種復合材料桶形耐壓殼，為正高斯曲率的曲線旋轉而成的桶形結構。

5、進一步地，所述桶形耐壓殼內部從頂端到底端均勻設有環(huán)形金屬筋條或碳纖維筋條。

6、本發(fā)明又提供了一種復合材料桶形耐壓殼一體化成型模具，包括非優(yōu)先項圓弧面分瓣和優(yōu)先項圓弧面分瓣，多組非優(yōu)先項圓弧面分瓣和優(yōu)先項圓弧面分瓣相間排布組成桶形結構后，頂端和底端通過法蘭固定拼接組成完整的模具，模具的表面開設有多組均勻分布的環(huán)形凹槽；所述非優(yōu)先項圓弧面分瓣包括頂端和底端的瓶口及中部向外凸出的圓弧面，且圓弧面為從中間向頂端和底端漸縮的結構；所述優(yōu)先項圓弧面分瓣包括頂端和底端的瓶口及中部向外凸出的圓弧面，且圓弧面為從中間向頂端和底端漸擴的結構。

7、進一步地，所述非優(yōu)先項圓弧面分瓣和優(yōu)先項圓弧面分瓣的兩側斜面相契合，優(yōu)先項圓弧面分瓣相接觸面的偏轉角為30°～45°；所述一個非優(yōu)先項圓弧面分瓣與一個優(yōu)先項圓弧面分瓣為一組；所述非優(yōu)先項圓弧面分瓣和優(yōu)先項圓弧面分瓣為3～5組。

8、進一步地，所述頂端和底端的瓶口通過圓角與圓弧面過渡；所述模具曲率與桶形耐壓殼曲率相等；所述兩端法蘭(3)的外半徑與頂端和底端的瓶口外半徑相等。

9、本發(fā)明又提供了一種纖維纏繞的復合材料桶形耐壓殼一體化成型制備工藝，包括以下步驟：

10、步驟1：確定桶形耐壓殼的曲率，制作一體化成型模具；將一體化成型模具放入烘箱內進行預熱并涂抹脫模劑；

11、步驟2：將纖維采用增強樹脂進行浸潤；采用纖維纏繞工藝對模具進行整體的纏繞，一體化成型；

12、步驟3：將纏繞后的模具放入熱壓罐中加熱固化；固化壓力為1～2mpa，固化溫度為120～130℃，固化時間為100～120min；

13、步驟4：自然冷卻進行脫模，先拆卸一個優(yōu)先項圓弧面分瓣，再拆卸非優(yōu)先項圓弧面分瓣。

14、進一步地，所述步驟1中，預熱溫度為80～90℃，預熱時間為25～35min。

15、進一步地，所述步驟2具體為：在模具的表面凹槽中先環(huán)向纏繞碳纖維筋條或置入環(huán)形金屬筋條，待與模具外表面平齊后，采用纖維纏繞工藝對模具進行整體的纏繞；最終步驟4中制備得到內部加筋的復合材料桶形耐壓殼。

16、進一步地，所述步驟2具體為：在模具的表面凹槽中置入環(huán)形金屬筋條，待與模具外表面平齊后，在金屬筋條外表面涂上脫模劑后，采用纖維纏繞工藝對模具進行整體纏繞；最終步驟4中制備得到內部不加筋的復合材料桶形耐壓殼。

17、進一步地，所述步驟2中，所述纖維纏繞方式包括環(huán)向纏繞、螺旋纏繞；所述環(huán)向纏繞角度為90°，螺旋纏繞角度為銳角；所述纖維纏繞工藝為濕法纏繞工藝。

18、本發(fā)明的有益效果在于：

19、1、本發(fā)明采用一體化成型制備方式，可減少筋條與殼體粘接而造成工藝缺陷，影響耐壓殼性能，并且大大縮短了制備流程，提高了制備效率，可以批量化生產；本發(fā)明的方法適用范圍廣，可實現全碳纖維加筋、金屬加筋和不加筋三種構型，操作方便。

20、2、本發(fā)明應用帶有曲率的桶形耐壓殼，對比圓柱殼，穩(wěn)定性更高，抗壓能力得到有效提升；采用復合材料制作殼體，對比傳統(tǒng)金屬材料，大大減少了構件的質量，可以提高殼體的承載能力。

21、3、本發(fā)明制作的桶形耐壓殼，兩端通過圓角與圓柱形殼體過渡，實驗時，方便端蓋的連接，同時避免連接處的應力集中；采用纖維纏繞工藝，可以減少因手鋪預浸料而造成的各種工藝缺陷，并且可提高材料利用率。

22、4、本發(fā)明制造的模具簡單易懂，由多個優(yōu)先項和非優(yōu)先項圓弧面分瓣組裝而成，可實現正高斯曲率加筋殼體的制備，并且脫模方便，可減少制備過程中的耗時；本發(fā)明提供的一種纖維纏繞復合材料加筋桶形耐壓殼一體化成型工藝，工程應用價值高，可為國家海洋潛器的發(fā)展提供一定的參考。

技術特征：

1.一種復合材料桶形耐壓殼，其特征在于，為正高斯曲率的曲線旋轉而成的桶形結構。

2.根據權利要求1所述的復合材料桶形耐壓殼，其特征在于，所述桶形耐壓殼內部從頂端到底端均勻設有環(huán)形金屬筋條或碳纖維筋條。

3.一種制備權利要求1或2所述的復合材料桶形耐壓殼一體化成型模具，其特征在于，包括非優(yōu)先項圓弧面分瓣(1)和優(yōu)先項圓弧面分瓣(2)，多組非優(yōu)先項圓弧面分瓣(1)和優(yōu)先項圓弧面分瓣(2)相間排布組成桶形結構后，頂端和底端通過法蘭(3)固定拼接組成完整的模具，模具的表面開設有多組均勻分布的環(huán)形凹槽；所述非優(yōu)先項圓弧面分瓣(1)包括頂端和底端的瓶口及中部向外凸出的圓弧面，且圓弧面為從中間向頂端和底端漸縮的結構；所述優(yōu)先項圓弧面分瓣(2)包括頂端和底端的瓶口及中部向外凸出的圓弧面，且圓弧面為從中間向頂端和底端漸擴的結構。

4.根據權利要求3所述的復合材料桶形耐壓殼一體化成型模具，其特征在于，所述非優(yōu)先項圓弧面分瓣(1)和優(yōu)先項圓弧面分瓣(2)的兩側斜面相契合，優(yōu)先項圓弧面分瓣(2)相接觸面的偏轉角為30°～45°；所述非優(yōu)先項圓弧面分瓣(1)和優(yōu)先項圓弧面分瓣(2)為3～5組。

5.根據權利要求3所述的復合材料桶形耐壓殼一體化成型模具，其特征在于，所述頂端和底端的瓶口通過圓角與圓弧面過渡；所述模具曲率與桶形耐壓殼曲率相等；所述兩端法蘭(3)的外半徑與頂端和底端的瓶口外半徑相等。

6.一種制備權利要求1或2所述的復合材料桶形耐壓殼一體化成型制備工藝，其特征在于，包括以下步驟：

7.根據權利要求6所述的復合材料桶形耐壓殼一體化成型制備工藝，其特征在于，所述步驟1中，預熱溫度為80～90℃，預熱時間為25～35min。

8.根據權利要求6所述的復合材料桶形耐壓殼一體化成型制備工藝，其特征在于，所述步驟2具體為：在模具的表面凹槽中先環(huán)向纏繞碳纖維筋條或置入環(huán)形金屬筋條，待與模具外表面平齊后，采用纖維纏繞工藝對模具進行整體的纏繞；最終步驟4中制備得到內部加筋的復合材料桶形耐壓殼。

9.根據權利要求6所述的復合材料桶形耐壓殼一體化成型制備工藝，其特征在于，所述步驟2具體為：在模具的表面凹槽中置入環(huán)形金屬筋條，待與模具外表面平齊后，在金屬筋條外表面涂上脫模劑后，采用纖維纏繞工藝對模具進行整體纏繞；最終步驟4中制備得到內部不加筋的復合材料桶形耐壓殼。

10.根據權利要求6所述的復合材料桶形耐壓殼一體化成型制備工藝，其特征在于，所述步驟2中，所述纖維纏繞方式包括環(huán)向纏繞、螺旋纏繞；所述環(huán)向纏繞角度為90°，螺旋纏繞角度為銳角；所述纖維纏繞工藝為濕法纏繞工藝。

技術總結
本發(fā)明公開一種復合材料桶形耐壓殼一體化成型模具及其制備工藝，屬于潛水器耐壓殼領域。本發(fā)明為正高斯曲率的曲線旋轉而成的桶形結構。本發(fā)明采用多組非優(yōu)先項圓弧面分瓣和優(yōu)先項圓弧面分瓣相間排布組成桶形結構后，頂端和底端通過法蘭固定拼接組成完整的模具制備耐壓殼；模具的表面開設有多組均勻分布的環(huán)形凹槽；將纖維采用增強樹脂進行浸潤；采用纖維纏繞工藝對模具進行整體的纏繞，固化成型；自然冷卻進行脫模。本發(fā)明制造的模具簡單易懂，由多個優(yōu)先項和非優(yōu)先項圓弧面分瓣組裝而成，可實現正高斯曲率加筋殼體的制備，并且脫模方便。

技術研發(fā)人員：楊金水,丁大龍,種洋旭,李爽,張慶達
受保護的技術使用者：哈爾濱工程大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/28