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摘 要

近年来，全球气候变暖，异常天气和资源的枯竭已经引起了全球的关注。在海洋环境的研究中，潜水器起着研究海洋环境变化和探索海底资源的重要作用。因此，开发可开展各种探测实验的潜水器具有重要意义。本课题研究的潜水器以碳纤维增强复合材料（CFRP）和Al为结构材料。CFRP由于抗弹性变形、抗断裂能力强，被广泛作为新型复合材料用于航海业。在潜水器中，用CFRP制造浅海区压力容器和储气罐。利用有限元软件，我们建立了由金属Al内胆层和CFRP外层构成的三维模型。通过定义材料参数、施加边界条件等操作，我们模拟出潜水器在深海中的受力情况。有限元数值模拟结果表明：CFRP层的增厚能显著改善潜水器的耐压性能，使其在抗变形能力增强的同时满足轻量化要求。然而，潜水器易在端口处发生应力集中现象，使层合板的承载能力大大下降。因此在实际使用中需要对其端部进行强化处理。

关键词：CFRP 深海潜水器 应力集中 轻量化

Study on the Application of Carbon Fiber Reinforced Plastics in Deep Submergence Vehicles

ABSTRACT

In recent years, the problem of global warming, abnormal weather, and depletion of resources has been attracted attention of whole world. In the research on the ocean environment, underwater research vehicle plays an important role in investigating the environmental change of the ocean and exploring undersea resources. Thus, it is meaningful to develop available underwater research vehicles that can carry out various exploring experiments. In this study, a hybrid composite pressure vessel with carbon fiber reinforced plastic (CFRP) and aluminum is studied. CFRP is an advanced composite widely used in the navigation industry because it has high specific stiffness and strength. In the underwater vehicle, CFRP is also applied in the fabrication of pressure vessels for the use in shallow sea and for the use of gas container. To study the yield and deformation of CFRP, the three-dimensional model of deep submergence vehicles which consists of the Aluminum inner and a CFRP outer, was established by a finite element software. The working situation of deep submergence vehicles can be simulated by defining the material parameters and boundary. The computation results indicate that the thickening of CFRP layer can significantly improve the pressure resistance of submersibles. As a result, it can meet the requirement of both lightweight of vehicles and high deformation resistance. However, stress concentration usually occurred on the port of vehicles, making the carrying capacity of laminates decrease greatly. Consequently, we need to carry out enhanced treatments of the port in actual use.

Key Words: CFRP; deep submergence vehicles; concentrating stress; lightweight

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2潜水器材料 1

1.3 研究现状 3

1.4 主要内容 5

第二章 复合材料背景介绍 6

2.1基本概念 6

2.2材料特性 7

第三章 建模过程分析 8

3.1本文主要建模工作 10

3.2模型尺寸介绍 12

第四章 结果分析与讨论 13

4.1屈服情况分析 13

4.2X方向位移变形情况分析 17

4.3Y方向位移变形情况分析 19

4.4模型内壁应力分析 21

第五章 结论 24

参考文献 25

致 谢 28

第一章 绪论

1.1引言

近年来，全球变暖、气候异常现象正成为严峻现象。资源环境问题，如石油的开发使用极大地造成了社会资源的枯竭，已成为急需解决的问题。联合国气候变化大会对气候变化进行了探讨，讨论了不同国家的温室气体排放目标指数。此外，为了解决资源问题，全球各国正在发展可替代能源。例如，可燃冰就是典型的例子，其主要分布地点在深海沉积物中。深海作为人类想探测的未知世界有着恶劣的环境，在其中的物体需要承受高压作用。因此深海潜水器的使用受到了广泛关注。20世纪70年代不断上涨的石油价格[1]，增加了调查海底资源的必要性，以及开发高效率大潜水深度潜水器的需求。人们更希望发明能够长时间航行的潜水器，为此需要考虑动力系统和总质量因素。在这项课题中，我们旨在分析并研究轻质潜水器。

首先有必要了解一下潜水器的机身结构，如图1-1所示。潜水器主要由机身外壳、控制器、导航设备、用于维持稳定行驶状态的浮力材料的和动力系统组成[2,3,4]。潜入海里后，潜水器周围被流动的海水包围。为了保护控制器和高压观测装置，防止与海水进一步直接接触，有必要在压力容器中添加电子保护设备。本课题试图减轻压力容器的重量来勘探深海。

图1-1 深海潜水器机身构造

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