Structure and Safety Design of Carbon Fiber Composite Material Adapter with Variable Caliber in Deep Sea
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摘要: 为实现水下平台发射装置变口径发射能力, 开展了深海耐压和强尺寸质量约束条件下的变口径适配器结构与安全设计研究。文中适配器采用碳纤维复合材料栅状管结构形式, 在工作压力、试验压力、发射膛压和发射集中力4种工况下开展结构仿真分析, 并分析不同工况下的器材离管安全性。研究结果表明, 文中设计的适配器满足深海耐压和强尺寸质量约束条件(长度≥3000 mm、质量≤60 kg)下的结构强度要求, 设计的1∶5战斗锥度满足器材安全出管要求, 实现了发射装置变口径发射能力。研究成果可为水下平台发射装置适配器的设计提供参考, 适配器结构强度及离管安全性分析结果可指导适配器环境试验及陆上试验。Abstract: In order to realize the variable caliber launching capability of an underwater platform launcher, the structure and safety design of a variable caliber adapter under the deep-sea pressure resistance and the strong dimensional weight constraints were studied in this paper. The adapter adopted the grid tube structure of carbon fiber composite materials. The structure simulation analysis was carried out under four working conditions, including working pressure, test pressure, launch chamber pressure, and launch concentration force, and the safety of the equipment leaving the launch tube under different working conditions was analyzed. The results show that the designed adapter meets the structural strength requirement under the deep-sea pressure resistance and the strong dimensional weight constraints (length ≥ 3 000 mm, weight ≤ 60 kg), and the designed 1∶5 battle taper meets the requirements of the equipment leaving the launch tube safely, realizing the variable diameter launching capability of the launcher. The research results of this paper can provide a reference for the design of the adapter for the underwater platform launcher, and the results of the structural strength analysis of the adapter and safety analysis of equipment leaving the launch tube can guide the adapter environment test and land test.
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Key words:
- underwater platform /
- launcher /
- adapter /
- carbon fiber composite material /
- structural strength /
- safety analysis
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表 1 材料性能参数
Table 1. Material performance parameters
序号 材料名称 性能指标 设计值 测试值 1 环氧树脂6150 环氧当量 185~200 186.150 2 环氧稀释剂 环氧值 0.70~0.80 0.757 3 碳纤维
SYT49S/TZ700S束纱拉伸
强度/MPa≥4500 4928.04 束纱拉伸
模量/MPa≥210 237.66 4 碳纤维预浸布
H3K-CP200厚度/mm 0.26±0.02 0.26 5 高强玻璃纤维
SC-1200束纱拉伸强度/MPa ≥2500 3415.54 6 PMI泡沫塑料
(XK200)压缩强度/MPa ≥7 9.34 弹性模量/MPa ≥170 224.60 剪切模量/MPa ≥80 125.08 剪切强度/MPa ≥2.9 4.21 压缩强度/MPa ≥6.0 8.55 密度/(g/cm3) 0.200±0.025 0.2104 表 2 碳纤维复合材料单向板参数
Table 2. Parameters of one-way plate of carbon fiber composite material
材料属性 数值 纤维方向拉伸模量/GPa 120 纤维方向拉伸强度/MPa 1800 纤维方向压缩模量/GPa 100 纤维方向压缩强度/MPa 750 垂直于纤维方向拉伸模量/GPa 8.0 垂直于纤维方向拉伸强度/MPa 20 垂直于纤维方向压缩模量/GPa 8.0 垂直于纤维方向压缩强度/MPa 110 泊松比 0.3 剪切模量/GPa 4.8 面内剪切强度/MPa 50 密度/(g/cm3) 1.6 表 3 钛合金TA4材料参数
Table 3. Titanium alloy TA4 material parameters
材料属性 数值 抗拉强度/MPa 580 拉伸强度/MPa 380 伸长率/% 10 压缩率/% 25 密度/(kg/m3) 4511 弹性模量/MPa 1.03×105 泊松比 0.34 表 4 工作压力工况仿真结果
Table 4. Simulation results of working pressure condition
序号 参数 仿真值 设计值 1 整体位移/mm 0.026 45 — 2 蒙皮最大径向位移/mm 0.016 84 — 3 纤维方向压缩应力/MPa 10.060 00 ≤750 4 垂直纤维方向压缩应力/MPa 1.469 00 ≤110 5 纤维面内剪切应力/MPa 0.404 40 ≤50 表 5 试验压力工况仿真结果
Table 5. Simulation results of test pressure condition
序号 参数 仿真值 设计值 1 整体位移/mm 0.039 67 — 2 外侧蒙皮最大径向位移/mm 0.025 26 — 3 纤维方向压缩应力/MPa 15.100 00 ≤750 4 垂直纤维方向压缩应力/MPa 2.204 00 ≤110 5 纤维面内剪切应力/MPa 0.606 70 ≤50 表 6 发射膛压作用下适配器仿真结果
Table 6. Simulation results of adaptor under launch chamber pressure
序号 参数 仿真值 设计值 1 整体位移/mm 0.108 4 — 2 蒙皮最大径向位移/mm 0.102 7 — 3 纤维方向拉伸应力/MPa 8.282 0 ≤1 800 4 纤维方向压缩应力/MPa 48.040 0 ≤750 5 垂直于纤维方向拉伸应力/MPa 1.305 0 ≤20 6 垂直于纤维方向压缩应力/MPa 1.154 0 ≤110 7 纤维面内剪切应力/MPa 1.142 0 ≤50 8 屈曲系数 12.587 0 ≥1 表 7 发射集中力作用下适配器仿真结果
Table 7. Simulation results of adapter under launch concentration force
序号 参数 仿真值 设计值 1 整体位移/mm 0.206 0 — 2 蒙皮最大径向位移/mm 0.117 6 — 3 纤维方向拉伸应力/MPa 47.220 0 ≤1800 4 纤维方向压缩应力/MPa 32.500 0 ≤750 5 垂直于纤维方向拉伸应力/MPa 6.581 0 ≤20 6 垂直于纤维方向压缩应力/MPa 3.685 0 ≤110 7 纤维面内剪切应力/MPa 4.937 0 ≤50 8 金属支架Mises应力/MPa 198.800 0 ≤600 9 屈曲系数 10.167 0 ≥1 -
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