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深海变口径碳纤维复合材料适配器结构与安全设计

张炜权 潘阳 李开福 杨弓熠 贾国涛 武海鹏

张炜权, 潘阳, 李开福, 等. 深海变口径碳纤维复合材料适配器结构与安全设计[J]. 水下无人系统学报, 2023, 31(6): 918-925 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0072
引用本文: 张炜权, 潘阳, 李开福, 等. 深海变口径碳纤维复合材料适配器结构与安全设计[J]. 水下无人系统学报, 2023, 31(6): 918-925 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0072
ZHANG Weiquan, PAN Yang, LI Kaifu, YANG Gongyi, JIA Guotao, WU HaiPeng. Structure and Safety Design of Carbon Fiber Composite Material Adapter with Variable Caliber in Deep Sea[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2023, 31(6): 918-925. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0072
Citation: ZHANG Weiquan, PAN Yang, LI Kaifu, YANG Gongyi, JIA Guotao, WU HaiPeng. Structure and Safety Design of Carbon Fiber Composite Material Adapter with Variable Caliber in Deep Sea[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2023, 31(6): 918-925. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0072

深海变口径碳纤维复合材料适配器结构与安全设计

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0072
详细信息
    作者简介:

    张炜权(1990-), 男, 硕士, 工程师, 主要研究方向为水下发射装置

  • 中图分类号: TJ630; U663

Structure and Safety Design of Carbon Fiber Composite Material Adapter with Variable Caliber in Deep Sea

  • 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。

     

  • 图  1  适配器组成图

    Figure  1.  Composition of adapter

    图  2  适配器管体组成图

    Figure  2.  Composition of adapter tube

    图  3  适配器管体网格划分

    Figure  3.  Grid division of adapter tube

    图  4  适配器仿真工况

    Figure  4.  Simulated working conditions of adapter

    图  5  工作压力工况下适配器变形和应力云图

    Figure  5.  Deformation and stress contours of the adapter under working pressure condition

    图  6  试验压力工况下适配器变形和应力云图

    Figure  6.  Deformation and stress contours of adapter under test pressure

    图  7  发射膛压作用下适配器变形和应力云图

    Figure  7.  Deformation and stress contours of adaptor under launch chamber pressure

    图  8  发射集中力作用下变形和应力云图

    Figure  8.  Deformation and stress contours of adaptor under launch concentration force

    图  9  适配器管体锥度示意图

    Figure  9.  Adapter tube taper

    图  10  不同出管时刻器材与适配器相对位置(工况1)

    Figure  10.  Relative position between adaptor and equipment leaving the launch tube at different times (working condition 1)

    图  11  不同出管时刻器材与适配器相对位置(工况2)

    Figure  11.  Relative position between adaptor and equipment leaving the launch tube at different times (working condition 2)

    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185~200186.150
    2环氧稀释剂环氧值0.70~0.800.757
    3碳纤维
    SYT49S/TZ700S
    束纱拉伸
    强度/MPa
    ≥45004928.04
    束纱拉伸
    模量/MPa
    ≥210237.66
    4碳纤维预浸布
    H3K-CP200
    厚度/mm0.26±0.020.26
    5高强玻璃纤维
    SC-1200
    束纱拉伸强度/MPa≥25003415.54
    6PMI泡沫塑料
    (XK200)
    压缩强度/MPa≥79.34
    弹性模量/MPa≥170224.60
    剪切模量/MPa≥80125.08
    剪切强度/MPa≥2.94.21
    压缩强度/MPa≥6.08.55
    密度/(g/cm3)
    0.200±0.0250.2104
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    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/GPa120
    纤维方向拉伸强度/MPa1800
    纤维方向压缩模量/GPa100
    纤维方向压缩强度/MPa750
    垂直于纤维方向拉伸模量/GPa8.0
    垂直于纤维方向拉伸强度/MPa20
    垂直于纤维方向压缩模量/GPa8.0
    垂直于纤维方向压缩强度/MPa110
    泊松比0.3
    剪切模量/GPa4.8
    面内剪切强度/MPa50
    密度/(g/cm3)1.6
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    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/MPa580
    拉伸强度/MPa380
    伸长率/%10
    压缩率/%25
    密度/(kg/m3)4511
    弹性模量/MPa1.03×105
    泊松比0.34
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    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/mm0.026 45
    2蒙皮最大径向位移/mm0.016 84
    3纤维方向压缩应力/MPa10.060 00≤750
    4垂直纤维方向压缩应力/MPa1.469 00≤110
    5纤维面内剪切应力/MPa0.404 40≤50
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    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/mm0.039 67
    2外侧蒙皮最大径向位移/mm0.025 26
    3纤维方向压缩应力/MPa15.100 00≤750
    4垂直纤维方向压缩应力/MPa2.204 00≤110
    5纤维面内剪切应力/MPa0.606 70≤50
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    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/mm0.108 4
    2蒙皮最大径向位移/mm0.102 7
    3纤维方向拉伸应力/MPa8.282 0≤1 800
    4纤维方向压缩应力/MPa48.040 0≤750
    5垂直于纤维方向拉伸应力/MPa1.305 0≤20
    6垂直于纤维方向压缩应力/MPa1.154 0≤110
    7纤维面内剪切应力/MPa1.142 0≤50
    8屈曲系数12.587 0≥1
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    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/mm0.117 6
    3纤维方向拉伸应力/MPa47.220 0≤1800
    4纤维方向压缩应力/MPa32.500 0≤750
    5垂直于纤维方向拉伸应力/MPa6.581 0≤20
    6垂直于纤维方向压缩应力/MPa3.685 0≤110
    7纤维面内剪切应力/MPa4.937 0≤50
    8金属支架Mises应力/MPa198.800 0≤600
    9屈曲系数10.167 0≥1
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-11-13
  • 修回日期:  2023-01-04
  • 网络出版日期:  2023-11-14

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