水下轻质浮力补偿型复合材料实芯耐撞吸能结构单元制造技术

本发明专利技术提供了一种水下轻质浮力补偿型复合材料实芯耐撞吸能结构单元，包括纤维缠绕表层和内部浮力芯材，其特征在于：纤维缠绕表层包覆在内部浮力芯材表面，纤维缠绕表层的厚度小于内部浮力芯材尺寸；内部浮力芯材为椭球形，内部浮力芯材的材料包括深海浮力材料；纤维缠绕表层的材料包括纤维树脂基体，采用张力湿法缠绕成型，在常温条件下一次固化成型。本发明专利技术在满足水下防护结构耐撞吸能要求的同时，还能为结构平台提供一定的储备浮力，解决了水下结构耐撞防护性能要求和结构平台设计重量限制的矛盾问题。

Underwater light buoyancy compensation type composite material core impact energy absorbing structure unit

The invention provides an underwater light buoyancy compensation type composite solid collision energy absorbing structure unit, including fiber wound surface and internal buoyancy core material, which is characterized in that the surface is coated on the surface of internal buoyancy core material filament winding, the thickness of the surface layer is less than the internal buoyancy core size fiber winding; internal buoyancy core material ellipsoidal and core internal buoyancy materials including deep-sea buoyancy material; fiber winding including fiber resin surface tension, the wet winding, curing at room temperature under the condition of A. The invention can meet the protection in underwater structure crashworthiness and energy absorption requirements while providing certain reserve buoyancy can solve the collision protection platform structure, performance requirements and design structure of the platform weight limit problem of water resistant structure.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纤维增强树脂基复合材料实芯结构应用领域，具体涉及一种水下轻质浮力补偿型复合材料实芯耐撞吸能结构单元。
技术介绍
复合材料具有比强度高、比刚度大、比吸能强以及可设计性好等优点，在结构防护工程领域已得到日益广泛的关注。然而在一些特殊或者极端的使用环境中，不仅需要防护结构具有优异的吸能特性，而且要具有较好的环境适应性及其它特殊性能。如水下结构平台非耐压舷间耐撞防护结构的设计，不仅对防护结构的耐撞防护性能提出了较高要求，而且需要防护结构为水下结构平台提供一定的储备浮力。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术提出并设计了一种新型的水下轻质浮力补偿型复合材料实芯耐撞吸能结构单元，不仅满足了水下结构平台耐撞防护结构的功能性要求，而且能够为水下结构平台提供一定的储备浮力。本专利技术提供了一种水下轻质浮力补偿型复合材料实芯耐撞吸能结构单元，包括纤维缠绕表层和内部浮力芯材，其特征在于：纤维缠绕表层包覆在内部浮力芯材表面，纤维缠绕表层的厚度小于内部浮力芯材直径；内部浮力芯材为椭球形，内部浮力芯材的材料包括深海浮力材料；纤维缠绕表层的材料包括纤维树脂基体，采用张力湿法缠绕成型，在常温条件下一次固化成型。较佳地，纤维缠绕表层完整包覆内部浮力芯材形成实芯耐撞吸能结构单元。较佳地，纤维缠绕表层所选型的纤维体系包括玻璃纤维和芳纶纤维。较佳地，树脂基体采用高性能低吸水性树脂，包括聚酯树脂和乙烯基酯树脂，纤维树脂质量比含量范围是0.7~1.2。较佳地，内部浮力芯材选用材料的密度范围为300kg/m3~600kg/m3，静水耐压强度为5MPa~30MPa，动态屈服强度为50~100MPa，线弹性应变范围为0~0.1，塑性段应变范围为0.1~0.6。较佳地，内部浮力芯材的后续阶段为致密压实段。较佳地，纤维缠绕表层采用基于结构力学性能和湿法缠绕成型工艺。较佳地，纤维缠绕表层的缠绕角度范围为15º~45º，缠绕厚度与椭球短轴长度比值T/B的范围为0.01~0.06，张力设计范围为5N~30N。较佳地，内部浮力芯材单元高度与上下端面直径比值H/2E的范围为1.2~2.1，椭球型线长轴与短轴比值A/B范围为1.6~1.0。本专利技术的有益效果在于：结构简单，纤维缠绕表层胶接包覆于内部芯材表面，纤维缠绕表层和内部浮力芯材一次固化成型为复合材料实芯吸能结构单元。内部芯材选用轻质深海高强度浮力材料并优化设计为椭球形几何型线特征，保证复合材料实芯耐撞吸能结构单元的稳态压缩吸能效率和表层湿法缠绕成型工艺的可实现性。纤维缠绕表层选用海洋环境适应型纤维和树脂体系并优化纤维树脂质量比，以达到最佳的工艺成型质量和复合界面性能。纤维缠绕表层采用张力湿法缠绕成型工艺，采用优化缠绕线型和厚度缠绕到内部浮力芯材优化型线表面，以达到最佳的约束承载能力和能量吸收效率。所述纤维缠绕表层和内部浮力芯材在常温条件下一次固化成型，具有较好的工艺制备特性，保证复合材料实芯耐撞吸能结构单元的完整性。附图说明图1为本专利技术结构三维示意图。其中，1-纤维缠绕表层，2-内部浮力芯材。图2为本专利技术结构剖面尺寸参数示意图。H-芯材高度，R-椭球短半轴长度，T-表层复合材料厚度，E-端面半径。图3至图8为本专利技术结构表层复合材料两层缠绕方案具体过程。具体实施方式下面结合说明书附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明：本专利技术提供了一种水下轻质浮力补偿型复合材料实芯耐撞吸能结构单元，包括纤维缠绕表层1和内部浮力芯材2，纤维缠绕表层1采用湿法缠绕成型工艺包覆在内部浮力芯材2表面，纤维缠绕表层厚度1远小于内部浮力芯材2的直径，内部浮力芯材2选用轻质高强度深海浮力材料并根据结构力学性能要求优化设计为不同椭球形几何型线特征，深海浮力材料的玻璃微珠尺寸和大小不同，基体树脂类型不同，成型后的浮力材料力学性能差异很大，本专利技术保护的是特定小范围配比的特定浮力材料类型。纤维缠绕表层1选用海洋环境适应型纤树脂体系并根据表层力学性能优化纤维树脂质量比，成型工艺采用张力湿法缠绕成型工艺，基于工艺可实现的优化缠绕线型和厚度缠绕到型线优化后的内部浮力芯材2表面，纤维缠绕表层1和内部浮力芯材2在常温条件下一次固化成型，形成完整的复合材料实芯耐撞吸能结构单元。不同纤维和树脂的力学性能和适用范围不同，本专利技术保护的是特定海水环境下具有特殊力学性能的纤维树脂选型。作为一种优选的方式，纤维缠绕表层1采用湿法缠绕成型工艺完整包覆在内部浮力芯材2表面形成实芯耐撞吸能结构单元，在常温条件下一体固化成型确保了实芯耐撞吸能结构单元的整体性。纤维缠绕表层1与内部浮力芯材2之间的复合界面为胶接连接，湿法缠绕加张力设计和一体固化成型工艺确保纤维缠绕表层1和内部浮力芯材2间的复合界面性能完好。作为一种优选的方式，纤维缠绕表层1选型的纤维树脂体系，包括玻璃纤维和乙烯基酯树脂基体，均具有良好的力学性能和耐海水腐蚀特性，且复合固化成型后纤维树脂界面性能良好，纤维树脂质量比经过优化配比达到最优。内部浮力芯材2选用中空玻璃微珠填充乙烯基酯系列的固体浮力材料，力学性能以及与纤维缠绕表层1的兼容匹配性较好，进一步增强了纤维缠绕表层1和内部浮力芯材2间的复合界面性能。作为一种优选的方式，纤维缠绕表层1采用基于结构力学性能和湿法缠绕成型工艺可实现的缠绕线型优化方案，包括缠绕角度、缠绕厚度和缠绕张力。内部浮力芯材2采用基于结构力学性能和纤维缠绕表层1匹配特性优化设计得到的椭球形几何型线特征。实施例一纤维缠绕表层1纤维树脂体系分别为泰山玻璃纤维公司生产的T910型号的E-玻璃纤维和南京金陵帝斯曼公司生产的430LV环氧改性的乙烯基酯树脂，内部浮力芯材2为湖北咸宁海威复合材料有限公司生产的HW50型轻质深海固体浮力材料。制作前先在数控车床上加工出内部浮力芯材2的椭球形几何线型，单元高度与上下端面直径比值H/2E为2.1，椭球型线长轴与短轴比值A/B为1.6，缠绕厚度与椭球短轴长度比值T/B为0.013。在缠绕成型前需要进行树脂材料的配制，乙烯基酯树脂、过氧化甲乙酮固化剂和环烷酸钴促进剂的质量配比为100:2:1，常温固化时间为4小时。纤维缠绕表层1采用螺旋缠绕线型，缠绕层数为一层，缠绕角度为25度，最终固化成型后的纤维缠绕表层1的纤维树脂质量比约为1:1，缠绕层总厚度T为1mm。缠绕完成后的样品在常温环境下经过4小时即可完全固化成型。实施例二纤维缠绕表层1和内部浮力芯材2所选材料体系与实施例1相同。制作前先在数控车床上加工出内部浮力芯材2的椭球形几何线型，单元高度与上下端面直径比值H/2E为1.6，椭球型线长轴与短轴比值A/B为1.2，缠绕厚度与椭球短轴长度比值T/B为0.023。树脂配比与实施例1相同，纤维缠绕表层1采用螺旋缠绕线型，第一层的缠绕角度为20度，第二层缠绕进行扩孔，缠绕角度扩大为29度，最终固化成型后的纤维缠绕表层1的纤维树脂质量比约为1:1，缠绕层总厚度T为2mm。缠绕完成后的样品在常温环境下经过4小时即可完全固化成型。实施例三纤维缠绕表层1和内部浮力芯材2所选材料体系与实施例1相同。制作前先在数控车床上加工出内部浮力芯材2的椭球形几何线型，单元高度与上下端面直径比值H/2E的范围为1.3，椭球型线长轴与短轴比值A/B范围为1.0，缠本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水下轻质浮力补偿型复合材料实芯耐撞吸能结构单元，包括纤维缠绕表层（1）和内部浮力芯材（2），其特征在于：所述纤维缠绕表层（1）包覆在内部浮力芯材（2）表面，所述纤维缠绕表层（1）的厚度小于所述内部浮力芯材（2）直径；所述内部浮力芯材（2）为椭球形，所述内部浮力芯材（2）的材料包括深海浮力材料；所述纤维缠绕表层（1）的材料包括纤维树脂基体，采用张力湿法缠绕成型，在常温条件下一次固化成型。

【技术特征摘要】
1.一种水下轻质浮力补偿型复合材料实芯耐撞吸能结构单元，包括纤维缠绕表层（1）和内部浮力芯材（2），其特征在于：所述纤维缠绕表层（1）包覆在内部浮力芯材（2）表面，所述纤维缠绕表层（1）的厚度小于所述内部浮力芯材（2）直径；所述内部浮力芯材（2）为椭球形，所述内部浮力芯材（2）的材料包括深海浮力材料；所述纤维缠绕表层（1）的材料包括纤维树脂基体，采用张力湿法缠绕成型，在常温条件下一次固化成型。2.根据权利要求1所述的水下轻质浮力补偿型复合材料实芯耐撞吸能结构单元，其特征在于：所述纤维缠绕表层（1）完整包覆内部浮力芯材（2）形成实芯耐撞吸能结构单元。3.根据权利要求1所述的水下轻质浮力补偿型复合材料实芯耐撞吸能结构单元，其特征在于：所述纤维缠绕表层（1）所选型的纤维体系包括玻璃纤维和芳纶纤维。4.根据权利要求3所述的水下轻质浮力补偿型复合材料实芯耐撞吸能结构单元，其特征在于：所述树脂基体采用高性能低吸水性树脂，包括聚酯树脂和乙烯基酯树脂，纤维树脂质量比含量范围是0.7~1.2。5.根据权利要求4所述的水下轻质浮力补偿型复合材料实芯耐撞吸能结...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅志远，周晓松，刘令，潘鹤斌，张焱冰，李华东，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42