【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水下内爆防护及复合结构设计，具体地，涉及一种用于深海内爆防护的轻质复合球形耐压结构及深海潜器。
技术介绍
1、深海蕴含无尽的资源，深海潜器作为勘探必需的技术装备，其重要组成部分——耐压结构，为人员和设备的安全性提供了保障。此外，深渊潜器的重要特点就是在同等功率条件下要求重量轻，否则将导致成本的大幅度增加以及安全性的下降。陶瓷、碳纤维增强聚合物复合材料(cfrp)等，相较于传统的金属材料，具有质量轻、强度高、耐腐蚀等特性，在轻量化方面存在一定优势，但存在发生内爆的安全隐患。在内爆过程中，流场的静水压力转化为流体动能，当气流将内部气腔压缩到最小时，内部空气会向外反弹，并将冲击波传递到流场中，产生远远大于环境压力的冲击波，一旦超过周围结构的强度极限，就会造成周围结构的坍塌，引发多个压力结构的连锁反应内爆，造成灾难性的后果。因此，有必要提出一种用于深海内爆防护的轻质复合球形耐压结构，有效减缓内爆造成的不良后果，实现安全性与轻量化的兼顾。该方案对于深海潜器的设计和制造具有重要的工程参考价值。
2、现有方案中存在以下缺陷：在深海耐压结构选材方面，钛合金等金属材料较为常用，相关制造技术比较成熟，但因材料本身比重较大，在轻量化方面表现不佳；陶瓷耐压结构、cfrp耐压结构尽管有较好的减重效果，但分别具有抗压不抗拉、抗拉不抗压的特性。在实际使用过程中，极易受到碰撞、损伤等过程的局部破坏，产生微观极难发现的初始缺陷，引发灾难性内爆。因此，存在安全性与轻量化难以兼得的问题。
技术实现思路p>
1、针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种用于深海内爆防护的轻质复合球形耐压结构及深海潜器。
2、根据本专利技术提供的一种用于深海内爆防护的轻质复合球形耐压结构,包括：空心陶瓷球内衬和cfrp外层，所述cfrp外层包覆在所述空心陶瓷球内衬的外表面，二者配合形成陶瓷-cfrp复合球形耐压结构。
3、优选地，所述空心陶瓷球内衬和所述cfrp外层均呈空心球形，且二者完全贴合。
4、优选地，所述空心陶瓷球内衬的壁厚s1应满足：s1≥s1min，s1min为所述空心陶瓷球内衬的最小壁厚，其计算公式：
5、
6、其中，d1为所述空心陶瓷球内衬的内径，[σt]为许用应力，为焊缝系数，c为设计余量，pwater为所述空心陶瓷球内衬周围水的静压力；
7、所述空心陶瓷球内衬周围水的静压力pwater的计算公式为：
8、pwater＝ρgh；
9、其中，h为深海潜器的作业水深，ρ为流体密度，g为重力加速度：
10、许用应力[σt]的计算公式为：
11、[σt]＝σb/n；
12、其中，σb为脆性材料本身的强度极限，n为安全系数。
13、优选地，所述陶瓷-cfrp复合球形耐压结构的总重量m＝m1+m2；
14、所述空心陶瓷球内衬的重量m1的计算公式为：
15、m1＝ρ1v1；
16、其中，ρ1为陶瓷密度，所述空心陶瓷球内衬的体积v1的计算公式为：
17、
18、所述cfrp外层的质量m2的计算公式为：
19、m2＝ρ2v2；
20、其中，ρ2为所述cfrp外层的密度，s2为所述cfrp外层的壁厚，所述cfrp外层的内径d2＝d1+s1，所述cfrp外层的体积v2的计算公式为：
21、
22、优选地，所述陶瓷-cfrp复合球形耐压结构的总重量m小于等于其额定总重量，可以通过增加s2增强内爆防护效果。
23、根据本专利技术提供的一种深海潜器，所述深海潜器上安装有上述的用于深海内爆防护的轻质复合球形耐压结构。
24、与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
25、本专利技术通过空心陶瓷球内衬和cfrp外层相结合，克服了单陶瓷与单cfrp材料在深海工程中应用的局限性；在发生水下内爆后，与单陶瓷结构相比，陶瓷-cfrp复合球形耐压结构的坍塌速率得到明显减缓，周围流场的压力峰值曲线也得到显著降低，从而削弱了内爆对结构自身及周围流场的影响，具有较好的内爆防护效果；结构简明，减重效果显著，达到了安全性、轻量化等多重功效，相较于传统耐压结构有较明显的减重效果，从而提高整体续航能力，对深海潜器的设计、制造及防护意义重大。
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1.一种用于深海内爆防护的轻质复合球形耐压结构，其特征在于，包括：空心陶瓷球内衬(1)和CFRP外层(2)，所述CFRP外层(2)包覆在所述空心陶瓷球内衬(1)的外表面，二者配合形成陶瓷-CFRP复合球形耐压结构。
2.如权利要求1所述的用于深海内爆防护的轻质复合球形耐压结构，其特征在于，所述空心陶瓷球内衬(1)和所述CFRP外层(2)均呈空心球形，且二者完全贴合。
3.如权利要求1所述的用于深海内爆防护的轻质复合球形耐压结构，其特征在于，所述空心陶瓷球内衬(1)的壁厚S1应满足：S1≥S1min，S1min为所述空心陶瓷球内衬(1)的最小壁厚，其计算公式：
4.如权利要求3所述的用于深海内爆防护的轻质复合球形耐压结构，其特征在于，所述陶瓷-CFRP复合球形耐压结构的总重量M＝M1+M2；
5.如权利要求4所述的用于深海内爆防护的轻质复合球形耐压结构，其特征在于，所述陶瓷-CFRP复合球形耐压结构的总重量M小于等于其额定总重量，可以通过增加S2增强内爆防护效果。
6.一种深海潜器，其特征在于，所述深海潜器上安装有权利要求
...【技术特征摘要】
1.一种用于深海内爆防护的轻质复合球形耐压结构，其特征在于，包括：空心陶瓷球内衬(1)和cfrp外层(2)，所述cfrp外层(2)包覆在所述空心陶瓷球内衬(1)的外表面，二者配合形成陶瓷-cfrp复合球形耐压结构。
2.如权利要求1所述的用于深海内爆防护的轻质复合球形耐压结构，其特征在于，所述空心陶瓷球内衬(1)和所述cfrp外层(2)均呈空心球形，且二者完全贴合。
3.如权利要求1所述的用于深海内爆防护的轻质复合球形耐压结构，其特征在于，所述空心陶瓷球内衬(1)的壁厚s1应满足：s1≥s1min...
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