一种固体浮力材料用复合结构预埋件及其设计方法与流程

1.本发明属于固体浮力材料构件制造和设计技术领域，具体涉及一种固体浮力材料用复合结构预埋件及其设计方法。


背景技术：

2.固体浮力材料构件是各种潜航器、水下机器人等水下装备的重要组成部分之一，对各种潜航器、水下机器人等装备提供必须的正浮力。固体浮力材料是一种水下广泛使用的玻璃微珠与树脂制成的复合材料，可为水下装备提供浮力，保障设备安全。水下装备与浮力材料之间需要连接安装，为了保证安装的牢固，通常使用高强度的金属材料采用粘接的方式与浮力材料进行预埋，然后与装备进行机械连接，或者浮力材料在装配和使用过程中需要吊装。目前我国蛟龙号、勇士号、奋斗者号等潜水器均采用单纯钛合金材质预埋件作为浮力材料构件的连接、起吊使用接口，如图1、2所示。
3.据调查，蛟龙号、勇士号、奋斗者号浮力材料构件上的预埋件周围的浮力材均有不同程度裂纹开裂，由于奋斗者号潜水器下潜深度更深达万米，水压更是达到了110mpa,预埋件周围浮力材裂纹更为严重。“奋斗者号”载人潜水器多次万米的海试考验，海试返航后的勘验，除部分构件的预埋件周围出现裂纹外，整体性能完好。本单位对“奋斗者号”进行拆卸勘验检查，预埋件周围浮力材料均有不同程度损伤，表现为预埋件周围出现环状裂纹(如图3所示)和放射状裂纹(如图4所示)。
4.虽然“奋斗者号”的浮力材料构件的金属预埋件主要用于起吊使用，预埋件对于件周围浮力材裂纹导致预埋件不能承受原有的起吊力，对构件拆卸装配产生了极大影响，若由于裂纹导致构件起吊掉落，会造成较大的经济损失。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种固体浮力材料用复合结构预埋件及其设计方法，能够解决由于材料弹性模量差异导致的浮力材构件预埋件周围浮力材开裂问题。
6.本发明是通过下述技术方案实现的：
7.一种固体浮力材料用复合结构预埋件，所述复合结构预埋件由金属件和非金属件复合而成；
8.所述非金属件为圆柱状结构，非金属件的一端加工有轴向盲孔，轴向盲孔内加工有内螺纹，非金属件的另一端设有圆台状凸起或球台状凸起；
9.所述金属件为加工有内、外螺纹的套筒，所述金属件通过螺纹连接在非金属件的轴向盲孔中，组成所述复合结构预埋件；所述金属件的内螺纹用于与应用对象螺纹连接；
10.外围设备为浮力材料；所述浮力材料上加工有用于安装复合结构预埋件的安装孔，所述安装孔的孔底为球形底孔或圆台形底孔；所述复合结构预埋件通过胶料固定在浮力材料的安装孔内，且复合结构预埋件的圆台状凸起或球台状凸起与安装孔的球形底孔或圆台形底孔之间填充有固定用的胶层。
11.进一步的，所述金属件采用tc4钛合金材质，非金属件采用peek材料。
12.进一步的，所述非金属件的外圆周面上加工有两个以上周向均布的溢胶排气槽，每个溢胶排气槽均沿非金属件的长度方向设置。
13.进一步的，所述非金属件的外圆周面加工有细牙螺纹或滚花。
14.进一步的，所述金属件的顶部设有两个相对布置的或四个周向均布的安装卡槽，两个相对布置的安装卡槽形成一字型槽，四个周向均布的安装卡槽形成十字型槽。
15.一种固体浮力材料用复合结构预埋件的设计方法，该设计方法的步骤如下：
16.步骤一，对拟采用的非金属件的材料和金属件的材料进行密度ρ
非
和ρ
金
、体积弹性模量e
非
和e
金
性能的测试；ρ
非
为非金属件的密度，ρ
金
为金属件的密度，e
非
为非金属件的体积弹性模量，e
金
为金属件的体积弹性模量；
17.对拟采用的非金属件还进行吸水率a
非
、抗拉强度rm
非
、耐水压强度p
水非
的测试，并确定非金属件的耐压强度，即实际使用压力强度p
实
，p
实
×
(1.2～1.5)≤p
水非
；在实际使用水压强度下保压24h后，非金属件的吸水率a
非
≤1％，非金属件的耐水压强度p
水非
大于200mpa；抗拉强度拉强度
18.步骤二，根据复合结构预埋件的应用对象的结构，设计金属件与应用对象的接口形式及金属件的尺寸：金属件采用内、外螺纹的套筒的结构形式，金属件的内螺纹为规格为md的右旋螺纹，金属件的外螺纹为规格为md1的左旋螺纹，金属件的轴向长度为h；
19.步骤三，设计复合结构预埋件中的非金属件的结构形式和尺寸：非金属件采用顶部加工有轴向盲孔的圆柱状结构，非金属件的外径为(2～3)
×
d1，轴向盲孔的内螺纹为规格为md1的左旋螺纹，且轴向盲孔的轴向长度为h+5mm，非金属件的底部设有圆台状凸起或球台状凸起；非金属件的轴向总长度h＝h+5mm+(1.5～2.5)
×
d1；
20.步骤四，设计浮力材料上用于粘接复合结构预埋件的安装孔的结构与尺寸：所述安装孔的孔底为球形底孔或圆台形底孔，且安装孔的轴向总长度设计为h+2mm；
21.步骤五，确定复合结构预埋件中金属件与非金属件的连接方式：金属件与非金属件采用螺纹和粘接并用的连接方式，即在金属件旋入非金属件前在金属件的外螺纹上涂胶；
22.步骤六，对复合结构预埋件与浮力材料强度进行仿真验证：建立装配完的复合结构预埋件及浮力材料的三维模型，取其1/4模型进行仿真计算，若仿真结果显示三维模型受到的最大应力小于浮力材料的抗拉强度，即可保证浮力材料不会出现开裂现象，执行步骤七；若仿真结果显示三维模型受到的最大应力大于或等于浮力材料的抗拉强度，则需要返回步骤一重新设计复合结构预埋件；
23.步骤七，加工复合结构预埋件的样件，浮力材料的尺寸取不小于3～5倍的复合结构预埋件尺寸，将复合结构预埋件的样件粘接在浮力材料的安装孔内，对装配后的浮力材料与复合结构预埋件的样件在最大工作外水压下，进行不少于10次冲击试验，若不出现开裂现象，则证明该复合结构预埋件的合理可行。
24.进一步的，所述金属件的顶部设有两个相对布置的或四个周向均布的安装卡槽，两个相对布置的安装卡槽形成一字型槽，四个周向均布的安装卡槽形成十字型槽。
25.进一步的，所述非金属件的轴向盲孔的孔底为圆锥状孔，圆锥状孔的高为h+5mm+(1～2)
×
d1。
26.进一步的，所述非金属件的外圆周面加工2～4个周向均布的溢胶排气槽；每个溢胶排气槽均沿非金属件的长度方向设置，且每个溢胶排气槽的尺寸为2mm
×
2mm
×
h；所述非金属件的外圆周面加工有细牙螺纹或滚花。
27.有益效果：
28.(1)本发明提供了一种固体浮力材料用复合结构预埋件，该预埋件通过非金属件和金属件的复合，通过非金属材料过渡改善金属材料与浮力材料间弹性模量差异，又兼顾使用金属材料螺纹的高强度和使用耐久性，解决了脆性固体浮力材料在高水压条件下的使用金属预埋件导致浮力材料开裂的问题。
29.(2)本发明的非金属件的外圆周面上加工有两个以上周向均布的溢胶排气槽，在复合结构预埋件逐渐埋入浮力材料的充满胶料的安装孔中后，安装孔内多余的胶料通过非金属件的外圆周面上的溢胶排气槽排出，实现非金属件与浮力材料粘接时多余胶料和气体的排除。
30.(3)本发明的非金属件的外圆周面加工有细牙螺纹或滚花，能够增加非金属件的粗糙度，当非金属件安装在浮力材料的安装孔内时，增加非金属件与浮力材料的粘接可靠性。
31.(4)本发明的金属件的顶部设有一字型槽或十字型槽，便于通过一字型螺丝刀或十字形螺丝刀将金属件拧紧在非金属件中，提高操作的便利性。
32.(5)本发明提供了一种固体浮力材料用复合结构预埋件的设计方法，通过该设计方法得到的复合结构预埋件及其浮力材料，在不降低预埋件拉拔扭转强度和耐磨性前提下，粘接有复合结构预埋件的浮力材料构件不再出现开裂现象；产品合格率显著提升，达100％，解决了在高水压下尤其是全海深条件下的粘接预埋件固体浮力材料构件易开裂的难题，为深海探测设备安装的可靠性提供了坚实保障。
附图说明
33.图1为背景技术中钛合金预埋件的结构图；
34.图2为背景技术中预埋件与浮力材料的粘接示意图；
35.图3为背景技术中预埋件周围浮材发生环状裂纹的损伤图；
36.图4为背景技术中预埋件周围浮材发生放射状裂纹的损伤图；
37.图5为本发明的复合结构预埋件的结构组成图；
38.图6为本发明的非金属件结构图；
39.图7为本发明的金属件结构图；
40.图8为本发明的复合结构预埋件与浮力材料的粘接示意图；
41.图9为本发明的复合结构预埋件仿真计算图；
42.图10-11为复合结构预埋件的样件的试验结果图；
43.其中，1-金属件，2-非金属件，3-安装卡槽，4-溢胶排气槽，5-浮力材料，6-胶层。
具体实施方式
44.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
45.实施例1：
46.本实施例提供了一种固体浮力材料用复合结构预埋件，参见附图5，所述复合结构预埋件由金属件1和非金属件2复合而成，金属件1采用tc4钛合金材质，非金属件2采用peek材料；
47.参见附图6，所述非金属件2为圆柱状结构，非金属件2的一端加工有轴向盲孔，轴向盲孔内加工有内螺纹，轴向盲孔的孔底为圆锥状孔，圆锥状孔的锥角为120
°
，非金属件2的另一端设有圆台状凸起或球台状凸起，若为圆台状凸起时，圆台状凸起的大端直径与非金属件2外径相等，圆台状凸起的小端直径为5mm，且圆台状凸起的锥角也为120
°
；所述非金属件2的外圆周面上加工有两个以上周向均布的溢胶排气槽4，每个溢胶排气槽4均沿非金属件2的长度方向设置；本实施例采用四个溢胶排气槽4；所述非金属件2的外圆周面加工有细牙螺纹或滚花，以增加非金属件2的粗糙度；
48.参见附图7，所述金属件1为加工有内、外螺纹的套筒，且内螺纹的轴向长度小于套筒的轴向长度，外螺纹的轴向长度与套筒的轴向长度相等，且金属件1的内螺纹所在端的筒壁端部设有两个相对布置的或四个周向均布的安装卡槽3，两个相对布置的安装卡槽3形成一字型槽，四个周向均布的安装卡槽3形成十字型槽；所述金属件1通过螺纹连接在非金属件2的轴向盲孔中，组成所述复合结构预埋件；一字型槽或十字型槽便于将金属件1拧紧在非金属件2中；
49.参见附图8，所述浮力材料5上加工有用于安装复合结构预埋件的安装孔，所述安装孔的孔底为球形底孔或圆台形底孔；所述复合结构预埋件通过胶料固定在浮力材料5的安装孔内，且复合结构预埋件的圆台状凸起或球台状凸起与安装孔的球形底孔或圆台形底孔之间填充有固定用的胶层；所述复合结构预埋件固定在浮力材料5的安装孔内的过程为：首先在浮力材料5的安装孔内填充胶料，然后将复合结构预埋件逐渐埋入充满胶料的安装孔中，最后安装孔内多余的胶料通过非金属件2的外圆周面上的溢胶排气槽4排出。
50.实施例2：
51.本实施例在实施例1的基础上，提供了一种固体浮力材料用复合结构预埋件的设计方法，该设计方法的步骤如下：
52.步骤一，对拟采用的非金属件2的材料和金属件1的材料进行密度ρ
非
和ρ
金
、体积弹性模量e
非
和e
金
等性能的测试；其中，非金属件2的材料应选择抗老化、使用寿命长的材料；金属件1的材料首选耐腐蚀材料，如钛合金、不锈钢；ρ
非
为非金属件2的密度，ρ
金
为金属件1的密度，e
非
为非金属件2的体积弹性模量，e
金
为金属件1的体积弹性模量；
53.对拟采用的非金属件2还进行吸水率a
非
、抗拉强度rm
非
、耐水压强度p
水非
的测试，并确定非金属件2的耐压强度，即实际使用压力强度p
实
，p
实
×
(1.2～1.5)≤p
水非
；在实际使用水压强度下保压24h后，非金属件2的吸水率a
非
≤1％，非金属件2的耐水压强度p
水非
一般大于200mpa；抗拉强度200mpa；抗拉强度
54.步骤二，根据复合结构预埋件的应用对象的结构，设计金属件1与应用对象的接口
形式(一般采用螺纹形式)及金属件1的尺寸(螺纹规格m及长度h)：本实施例的应用对象为螺杆，因此，金属件1采用内、外螺纹的套筒的结构形式，金属件1的内螺纹为规格为md的右旋螺纹，金属件1的外螺纹为规格为md1的左旋螺纹，其中，md1一般采用比md大一个规格，也可根据实际需要选择更大规格，金属件1的内、外螺纹的旋向不同，可以避免两螺纹旋出，金属件1的轴向长度为h；金属件1的顶部加工有一字型槽或十字型槽，便于将金属件1安装在非金属件2中；
55.步骤三，设计复合结构预埋件中的非金属件2的结构形式和尺寸：非金属件2的结构形式和尺寸是解决浮力材料5开裂问题的关键，非金属件2采用顶部加工有轴向盲孔的圆柱状结构，非金属件2的外径为(2～3)
×
d1，轴向盲孔的内螺纹为规格为md1的左旋螺纹，且轴向盲孔的轴向长度(不包括孔底的圆锥状孔)为h+5mm，轴向盲孔的孔底深度(即圆锥状孔的高)为h+5mm+(1～2)
×
d1，非金属件2的底部设有圆台状凸起或球台状凸起，以减小复合结构预埋件的结构应力；非金属件2的轴向总长度h＝h+5mm+(1.5～2.5)
×
d1(轴向总长度包括圆台状凸起或球台状凸起的高)；所述非金属件2的外圆周面加工有细牙螺纹或滚花，以增加非金属件2的粗糙度，且在非金属件2的外圆周面加工2～4个周向均布的溢胶排气槽4，用于非金属件2与浮力材料5粘接时排除多余胶料和气体；每个溢胶排气槽4的尺寸为2mm
×
2mm
×
h；
56.步骤四，设计浮力材料5上用于粘接复合结构预埋件的安装孔的结构与尺寸：所述安装孔的孔底为球形底孔或圆台形底孔，且安装孔的轴向总长度设计为h+2mm；安装孔的直径略大于非金属件2的外径；
57.步骤五，确定复合结构预埋件中金属件1与非金属件2的连接方式：金属件1与非金属件2采用螺纹和粘接并用的连接方式，即在金属件1旋入非金属件2前在金属件1的外螺纹上涂胶；
58.步骤六，对复合结构预埋件与浮力材料5强度进行仿真验证：建立装配完的复合结构预埋件及浮力材料5的三维模型，取其1/4模型进行仿真计算，若仿真结果显示三维模型受到的最大应力小于浮力材料5的抗拉强度，即可保证浮力材料5不会出现开裂现象，执行步骤七；若仿真结果显示三维模型受到的最大应力大于或等于浮力材料5的抗拉强度，则需要返回步骤一重新设计复合结构预埋件；本实施例的仿真结果如图9所示，浮力材料5均受到压应力，不受拉应力，不会出现拉应力产生开裂；
59.步骤七，加工复合结构预埋件的样件，浮力材料5的尺寸取不小于3～5倍的复合结构预埋件尺寸，将复合结构预埋件的样件粘接在浮力材料5的安装孔内，对装配后的浮力材料5与复合结构预埋件的样件在最大工作外水压下，进行不少于10次冲击试验，若不出现开裂现象，则证明该复合结构预埋件的合理可行，本实施例的装配后的浮力材料5与复合结构预埋件的样件在最大工作外水压(120mpa)下，进行10次冲击试验进行进一步验证该复合结构预埋件的合理可行，不出现开裂现象，如图10-11所示。
60.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种固体浮力材料用复合结构预埋件，其特征在于，所述复合结构预埋件由金属件和非金属件复合而成；所述非金属件为圆柱状结构，非金属件的一端加工有轴向盲孔，轴向盲孔内加工有内螺纹，非金属件的另一端设有圆台状凸起或球台状凸起；所述金属件为加工有内、外螺纹的套筒，所述金属件通过螺纹连接在非金属件的轴向盲孔中，组成所述复合结构预埋件；所述金属件的内螺纹用于与应用对象螺纹连接；外围设备为浮力材料；所述浮力材料上加工有用于安装复合结构预埋件的安装孔，所述安装孔的孔底为球形底孔或圆台形底孔；所述复合结构预埋件通过胶料固定在浮力材料的安装孔内，且复合结构预埋件的圆台状凸起或球台状凸起与安装孔的球形底孔或圆台形底孔之间填充有固定用的胶层。2.如权利要求1所述的一种固体浮力材料用复合结构预埋件，其特征在于，所述金属件采用tc4钛合金材质，非金属件采用peek材料。3.如权利要求1所述的一种固体浮力材料用复合结构预埋件，其特征在于，所述非金属件的外圆周面上加工有两个以上周向均布的溢胶排气槽，每个溢胶排气槽均沿非金属件的长度方向设置。4.如权利要求1-3任一项所述的一种固体浮力材料用复合结构预埋件，其特征在于，所述非金属件的外圆周面加工有细牙螺纹或滚花。5.如权利要求1-3任一项所述的一种固体浮力材料用复合结构预埋件，其特征在于，所述金属件的顶部设有两个相对布置的或四个周向均布的安装卡槽，两个相对布置的安装卡槽形成一字型槽，四个周向均布的安装卡槽形成十字型槽。6.一种固体浮力材料用复合结构预埋件的设计方法，基于权利要求1-5任一项的复合结构预埋件，其特征在于，该设计方法的步骤如下：步骤一，对拟采用的非金属件的材料和金属件的材料进行密度ρ
非
和ρ
金
、体积弹性模量e
非
和e
金
性能的测试；ρ
非
为非金属件的密度，ρ
金
为金属件的密度，e
非
为非金属件的体积弹性模量，e
金
为金属件的体积弹性模量；对拟采用的非金属件还进行吸水率a
非
、抗拉强度rm
非
、耐水压强度p
水非
的测试，并确定非金属件的耐压强度，即实际使用压力强度p
实
，p
实
×
(1.2～1.5)≤p
水非
；在实际使用水压强度下保压24h后，非金属件的吸水率a
非
≤1％，非金属件的耐水压强度p
水非
大于200mpa；抗拉强度度步骤二，根据复合结构预埋件的应用对象的结构，设计金属件与应用对象的接口形式及金属件的尺寸：金属件采用内、外螺纹的套筒的结构形式，金属件的内螺纹为规格为md的右旋螺纹，金属件的外螺纹为规格为md1的左旋螺纹，金属件的轴向长度为h；步骤三，设计复合结构预埋件中的非金属件的结构形式和尺寸：非金属件采用顶部加工有轴向盲孔的圆柱状结构，非金属件的外径为(2～3)
×
d1，轴向盲孔的内螺纹为规格为md1的左旋螺纹，且轴向盲孔的轴向长度为h+5mm，非金属件的底部设有圆台状凸起或球台状凸起；非金属件的轴向总长度h＝h+5mm+(1.5～2.5)
×
d1；步骤四，设计浮力材料上用于粘接复合结构预埋件的安装孔的结构与尺寸：所述安装
孔的孔底为球形底孔或圆台形底孔，且安装孔的轴向总长度设计为h+2mm；步骤五，确定复合结构预埋件中金属件与非金属件的连接方式：金属件与非金属件采用螺纹和粘接并用的连接方式，即在金属件旋入非金属件前在金属件的外螺纹上涂胶；步骤六，对复合结构预埋件与浮力材料强度进行仿真验证：建立装配完的复合结构预埋件及浮力材料的三维模型，取其1/4模型进行仿真计算，若仿真结果显示三维模型受到的最大应力小于浮力材料的抗拉强度，即可保证浮力材料不会出现开裂现象，执行步骤七；若仿真结果显示三维模型受到的最大应力大于或等于浮力材料的抗拉强度，则需要返回步骤一重新设计复合结构预埋件；步骤七，加工复合结构预埋件的样件，浮力材料的尺寸取不小于3～5倍的复合结构预埋件尺寸，将复合结构预埋件的样件粘接在浮力材料的安装孔内，对装配后的浮力材料与复合结构预埋件的样件在最大工作外水压下，进行不少于10次冲击试验，若不出现开裂现象，则证明该复合结构预埋件的合理可行。7.如权利要求6所述的一种固体浮力材料用复合结构预埋件的设计方法，其特征在于，所述金属件的顶部设有两个相对布置的或四个周向均布的安装卡槽，两个相对布置的安装卡槽形成一字型槽，四个周向均布的安装卡槽形成十字型槽。8.如权利要求6所述的一种固体浮力材料用复合结构预埋件的设计方法，其特征在于，所述非金属件的轴向盲孔的孔底为圆锥状孔，圆锥状孔的高为h+5mm+(1～2)
×
d1。9.如权利要求6-8任一项所述的一种固体浮力材料用复合结构预埋件的设计方法，其特征在于，所述非金属件的外圆周面加工2～4个周向均布的溢胶排气槽；每个溢胶排气槽均沿非金属件的长度方向设置，且每个溢胶排气槽的尺寸为2mm
×
2mm
×
h；所述非金属件的外圆周面加工有细牙螺纹或滚花。

技术总结
本发明公开了一种固体浮力材料用复合结构预埋件及其设计方法，该复合结构预埋件由金属件和非金属件复合而成；非金属件为圆柱状结构，非金属件的一端加工有轴向盲孔，轴向盲孔内加工有内螺纹，非金属件的另一端设有圆台状凸起或球台状凸起；金属件为加工有内、外螺纹的套筒，金属件通过螺纹连接在非金属件的轴向盲孔中；浮力材料上加工有用于安装复合结构预埋件的安装孔，安装孔的孔底为球形底孔或圆台形底孔；复合结构预埋件通过胶料固定在浮力材料的安装孔内，且复合结构预埋件的圆台状凸起或球台状凸起与安装孔的球形底孔或圆台形底孔之间填充有固定用的胶层。本发明能够解决由于材料弹性模量差异导致的浮力材构件预埋件周围浮力材开裂问题。周围浮力材开裂问题。周围浮力材开裂问题。


技术研发人员：张超 陈江 董为云 席运桥 倪宇 高建洲 叶斌 刘青松
受保护的技术使用者：宜昌测试技术研究所
技术研发日：2022.11.24
技术公布日：2023/6/28