固體浮力材料在深海裝備中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

李東梁,陳 江,丁建龍,高建洲

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003)

0 引言

深海是地球上尚未被人類充分認(rèn)識(shí)的最大的潛在戰(zhàn)略資源寶庫(kù)，隨著各國(guó)深海探索的不斷深入，水下機(jī)器人、深?？臻g站、深海ROV等裝備設(shè)施對(duì)相關(guān)的浮力材料的要求也在逐步提高。深海裝備在深海作業(yè)時(shí)不僅需要抵抗海水的腐蝕，還要承受變載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的考驗(yàn)及深海環(huán)境的高壓強(qiáng)，因而優(yōu)異的抗腐蝕性能和高的強(qiáng)度/重量比是深海裝備材料所必須滿足的條件[1-2]。

GFC固體浮力材料屬于輕質(zhì)高強(qiáng)度復(fù)合材料，主要成分是環(huán)氧樹(shù)脂與空心玻璃微球組成。這種材料的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有耐油、耐候性、耐老化、耐鹽霧、耐海水腐蝕等優(yōu)良特性；與其他材料對(duì)比，具有耐腐蝕、耐高壓、低吸水率、高透聲性等優(yōu)良特性，滿足深海裝備的大深度耐壓、長(zhǎng)時(shí)間耐腐蝕的使用要求，可有效地保障深海裝備安全可靠性工作，且還能降低產(chǎn)品重量，從而在海洋領(lǐng)域應(yīng)用中具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性[2]。

1 固體浮力材料的特性及選擇

固體浮力材料一般是由無(wú)機(jī)輕質(zhì)填充料——玻璃微球，按照一定的比例填充到有機(jī)高分子材料——環(huán)氧樹(shù)脂中，經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)得到的復(fù)合材料?，F(xiàn)階段深海固體浮力材料由高強(qiáng)度的粘接劑、固化劑為基材填充輕質(zhì)空心微球?yàn)楣羌芙M成，根據(jù)不同的使用水深，調(diào)配基材和空心微球的比例參數(shù)，在一定溫度、壓力下固化成型。性能指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 固體浮力材料的性能指標(biāo)參數(shù)

其中，深潛浮力材料的基體材料一般具備強(qiáng)度高、密度小、與無(wú)機(jī)空心微球有良好的浸潤(rùn)性，且固化前粘度小的特性，其中良好的浸潤(rùn)性和固化前粘度小的特性有利于空心球的均勻分散和高比例填充[3-4]。環(huán)氧樹(shù)脂的壓縮強(qiáng)度一般為100～120 MPa，密度為1.15～1.5 g/cm3。目前，應(yīng)用較好的材料為環(huán)氧樹(shù)脂類高分子材料。

空心微球的耐壓強(qiáng)度是固體浮力材料應(yīng)用深度的主要因素之一，而微球本身的耐壓強(qiáng)度取決于材料的許用應(yīng)力、球的直徑和壁厚[4]。試驗(yàn)表明:經(jīng)過(guò)改性樹(shù)脂加強(qiáng)后的微球，強(qiáng)度可以大大提高，當(dāng)空心玻璃微球耐壓強(qiáng)度達(dá)到100 MPa后，完全可以承受注射、擠出等成型加工過(guò)程中的剪切應(yīng)力[5-6]。若對(duì)玻璃微球進(jìn)行鋼化處理或制備微晶玻璃微球，抗壓強(qiáng)度可達(dá)到600 MPa。經(jīng)過(guò)樹(shù)脂加強(qiáng)后的一般微球，強(qiáng)度即可有較大的提高，所以對(duì)空心微球的選取需要按照使用深度選取性價(jià)比最佳的微球[7-8]。

由于固體浮力材料的性能不僅取決于基體樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)與性能、微球本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還與固化劑、添加劑的結(jié)構(gòu)與性能及它們之間的配比，以及其成型固化歷程的工藝參數(shù)有關(guān)[9]。目前常用的方法為在對(duì)材料選擇設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化工藝參數(shù)提高固體浮力材料的整體使用性能。

2 固體浮力材料的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

固體浮力材料是由無(wú)機(jī)輕質(zhì)填充料，填充到有機(jī)高分子材料中，經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)得到的固態(tài)化合物，一定的工藝制作出固體浮力材料。而組成深海裝備外形的固體浮力材料由多塊浮力材料粘接而成，主要為裝備提供正浮力，同時(shí)滿足載體的穩(wěn)定性和水動(dòng)性能，并起到圍護(hù)耐壓殼體及內(nèi)部?jī)x器設(shè)備直接與外界物體碰撞的作用[10]。設(shè)計(jì)固體浮力材料的整體結(jié)構(gòu)時(shí)需要考慮浮力塊在載體中的總體布置情況，成形后載體的總體流線型、重心平衡及各外部結(jié)構(gòu)之間的相互影響關(guān)系等因素。

2.1 總體配置及要求

本文以某探測(cè)載體成形為例進(jìn)行說(shuō)明。其中載體使用的環(huán)境溫度為-8～50 ℃，工作水深為1 000 m，介質(zhì)為海水和海洋大氣環(huán)境，自重不大于1 500 kg，可提供正浮力不小于100 kg。探測(cè)載體整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

探測(cè)載體整外形由固體材料GFC-400加工后粘接而成，內(nèi)部由不銹鋼316L焊接一體的框架，固體浮力材料提供正浮力，框架用來(lái)搭載傳感器和控制部分，內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

采用固體浮力材料與框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高浮心的位置，并通過(guò)增大穩(wěn)心高度(浮心與重心的位置差)來(lái)提高探測(cè)載體的姿態(tài)穩(wěn)定性。經(jīng)計(jì)算載體的穩(wěn)心為72 mm，重心及浮心如圖3所示。

2.2 工藝設(shè)計(jì)

組成探測(cè)載體外形浮力塊的成形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則主要為：

1)滿足載體穩(wěn)定性的原則。設(shè)計(jì)計(jì)算確保浮力塊與內(nèi)置骨架相結(jié)合后的浮心在載體的上部，粘接后的浮力塊外表面按探測(cè)載體的線形加工，這樣既提高了載體的穩(wěn)心又滿足載體的水動(dòng)性能。

2)采用標(biāo)準(zhǔn)塊與復(fù)雜形狀塊相結(jié)合的原則。為了減少浮力塊的加工難度和降低加工成本，設(shè)計(jì)布置在載體框架內(nèi)部的浮力塊時(shí)，需采用標(biāo)準(zhǔn)塊和復(fù)雜形狀相結(jié)合的方式粘接；而布置在載體框架外部的浮力塊外表面要滿足相應(yīng)部位要求的線型。

3) 利用受力的方向性，方便對(duì)浮力塊粘結(jié)的原則。尾翼采用X型布置，浮力塊對(duì)稱布置，使浮力塊與載體框架設(shè)計(jì)融為一體，互相依托方便浮力塊的粘結(jié)成形。

探測(cè)載體的成形工藝，由標(biāo)準(zhǔn)塊與復(fù)雜形狀粘結(jié)后加工成載體各部分的尺寸，然后按照工藝要求粘接成形為一整體。成形的工藝設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

如圖4 所示，在粘接前，首先把內(nèi)部骨架表面擦洗干凈，然后依次粘接舯段、艏段和艉段。浮力塊之間的間隙用同型號(hào)的浮力材料調(diào)粘結(jié)劑進(jìn)行填補(bǔ)，固化后對(duì)表面的不平處進(jìn)行磨平并在外表面噴涂防水層。成形后，載體整體排水V0=1 500 kg，空重M空=1 380±10 kg，拋載后理論正浮力F0=120±10 kg，滿足載體使用要求。

2.3 固體浮力材料浮力損失的對(duì)策

固體浮力材料是一種脆性材料，其內(nèi)部材料是均勻的實(shí)體，安全性是浮力材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題。在較大靜水壓的作用下，固體浮力材料的浮力損失主要由體積收縮和吸水2個(gè)因素引起，常用浮力材料體積收縮和吸水率2個(gè)指標(biāo)來(lái)表示。

2.3.1 體積收縮率的影響及對(duì)策

在靜水壓力作用下,體積收縮率與浮力材料塊的形狀和體積大小無(wú)關(guān)，與靜水壓力P和體積彈性模量有關(guān)，體積收縮率與彈性模量近似成反比例函數(shù)關(guān)系，彈性模量可以通過(guò)檢測(cè)得出。

利用ANSYS軟件，模擬深海靜水壓力環(huán)境，對(duì)固體浮力材料試塊進(jìn)行受力分析和計(jì)算。載體工作最大水深為1 000 m，即使用最大水壓P0=10 MPa，不載人固體浮力材料按實(shí)際使用水深的1.1～1.2倍計(jì)算其耐水壓強(qiáng)度，安全系數(shù)取1.2，加載載荷PJ=12 MPa，體積彈性模量E=2.73 GPa，泊松比μ=0.3。為保障在ANSYS中建模和網(wǎng)格劃分階段的可靠性及可預(yù)測(cè)性，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化并忽略小的倒角，網(wǎng)格劃分后節(jié)點(diǎn)數(shù)55 208，單元數(shù)31 513，如圖5所示。

計(jì)算結(jié)果顯示，載體排水量V0=1 500 kg，載體最大應(yīng)變?chǔ)?0.001 795，體積變化ΔV=3ε·V0=7.1 kg，即由體積收縮率引起的浮力損失F損=7.1 kg，對(duì)于一定深度來(lái)說(shuō)，通過(guò)計(jì)算體積的最大變化量額外增加一定數(shù)量的浮力材料進(jìn)行補(bǔ)償體積收縮引起的浮力損失，針對(duì)本載體在最大水深環(huán)境中因體積收縮率引起的浮力損失的對(duì)策是增加7.1 kg的浮力抵抗體積變化引起的浮力損失。

2.3.2 吸水率的影響及對(duì)策

在靜水壓力作用下，吸水率與浮力材料所受外壓有關(guān)，也近似與浮力材料表面積和加壓時(shí)間成正比。文獻(xiàn)中試驗(yàn)顯示，吸水率與固體浮力材料的使用次數(shù)無(wú)關(guān)，但會(huì)影響縮短浮力材料的使用壽命。吸水率(滿足≤1%的技術(shù)指標(biāo))可保證載體在大深度靜水壓工作條件下浮力的影響較小[11]。

吸水率引起浮力損失的對(duì)策：針對(duì)吸水率的影響，現(xiàn)有技術(shù)常采用的方法是在固體浮力材料表面噴涂阻水層。其中聚脲彈性體阻水層熱穩(wěn)定性好、附著力好、耐候性好、固化快、無(wú)毒害作用，可保障固體浮力材料在長(zhǎng)時(shí)間條件下基本不吸收水分，提高其在水中使用的安全性和可靠性[2,11]。

綜上分析，總的浮力損失約為7.1 kg，理論上固體浮力材料提供正浮力F0=120±10 kg，減去浮力損失，提供正浮力約為F實(shí)=113±10 kg，滿足使用指標(biāo)大于100 kg正浮力的要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)固體浮力材料的研究應(yīng)用，首先介紹了固體浮力材料的特性及選擇使用要求，然后結(jié)合具體案例分析固體浮力材料成形的一些設(shè)計(jì)原則，針對(duì)固體浮力材料在深海中使用時(shí)的浮力損失，提出相應(yīng)的解決對(duì)策，最后按照設(shè)計(jì)選擇制做出符合要求的載體。該載體交付并服役多個(gè)航次，工作正常。