深海无人潜水器系统中，耐压密封舱的材料选择与设计制造是关系到潜水器体积、重量等性能指标甚至成败的重要因素。随着深度的增加，传统的金属材料耐压密封舱质量体积比也不断增加，潜水器需要更多的浮力材料来实现其在水中的平衡，进而造成潜水器重量、体积越来越庞大。在此背景下，深海无人潜水器系统中，耐压密封舱的材料选择与设计制造是关系到潜水器体积、重量等性能指标甚至成败的重要因素。随着深度的增加，传统的金属材料耐压密封舱质量体积比也不断增加，潜水器需要更多的浮力材料来实现其在水中的平衡，进而造成潜水器重量、体积越来越庞大。

　　围绕国家海洋战略规划，针对水下4000m无人潜水器对轻质、高强度、高稳定性耐压结构体关键部件的迫切需求，研制满足4000m使用条件的圆柱形耐压结构体，通过对水下4000m无人潜水器的压力测试，提供一种有效的水下4000m无人潜水器关键部件解决方案，为国家海洋战略的顺利实施提供关键材料、技术和装备支撑。

　　水下4000m无人潜水器的结构由端盖、金属连接环和复合材料筒体组成。密封、金属端盖与复合材料筒体连接及复合材料筒体设计为该潜水器的研制难点，本文仅针对复合材料的筒体及金属端盖的设计展开研究。

　　水下潜水器主要承受外压载荷，需要考虑强度及稳定性的需要。当考虑强度时，由于外压的作用使得复合材料筒体经线及纬线的受力比约为1:2，考虑强度需要使用0°纤维与90°纤维的比约为1：2。目标为水下4000m使用，安全系数为1.2倍，设计压力48Mpa。

　　由于复合材料筒体使用缠绕工艺，缠绕机不能缠绕0°纤维，需要小角度缠绕，所以小角度的纤维比略大于1：2。在考虑稳定性时，由于周向的表面积大于轴向的表面积需要继续增加90°的缠绕层比例。在经过多次设计后，选取25mm厚度进行设计。

　　由于金属端盖与复合材料连接区域存在几何不连续，在承受外压载荷时，连接区域存在应力集中现象，对金属端盖进行设计可缓解应力集中现象，使设计更为合理。从纤维受力分析可看出，纤维纵向压缩为519MPa，纤维许用值为900MPa，预计破坏载荷为83.2MPa。屈曲系数为2.46，根据以往经验线性屈曲系数取1.4，折算出屈曲载荷为84.3MPa，破坏强度与失稳系数相当。

　　经过设计与缠绕工艺成型，制作成25mm壁厚的复合材料耐压壳体，通过试验最终爆破强度为90Mpa。满足48Mpa的使用载荷，并且与预计爆破载荷83.2MPa的误差为7.6%。认为设计合理可信。

　　本文通过对4000m级的水下复合材料壳体的设计，总结出适用于承受水下外压下的复合材料耐压壳体的结论：根据使用工况及经济性，4000m级水下耐压壳体设计为强度破坏的，可以选用T700级的碳纤维；设计为屈曲破坏的，可以考虑高模碳纤维，钛合金的电化学腐蚀性能及强度均好于铝合金，本方案选择T700碳纤维及钛合金方案。

　　由于金属端盖与复合材料筒体相连接，在连接区域存在几何非线性，承受外压时会形成应力集中现象，不同的封头形式对复合材料筒体形成的应力集中不同，通过对封头形式的设计能够有效缓解应力集中现象，使破坏载荷提高。耐压壳体在承受外压时，复合材料筒体与金属端盖的连接区域，不仅存在薄膜力还存在面外内力矩的作用，薄膜力使复合材料筒体承受压应力，面内外力矩使复合材料筒体承受弯矩载荷。通过复合材料筒体铺层顺序调整可以缓解弯矩引起的应力集中，使破坏载荷提高。

　　阅读延伸：《碳纤维缠绕钢内衬圆筒的耐压性能研究》