随着陆地资源的日益枯竭,海洋资源的探测与开发成为解决资源紧缺的有效途径,开发海洋资源离不开深海装备,其通常借助轻质材料提供浮力。目前,轻质材料多采用玻璃微珠/环氧复合材料,但其密度大,耐水压性差,提供的浮力小,难以满足深海装备的技术要求。因此,设计一种兼具低密度与高承载性能的浮力结构是亟需解决的课题。复合材料蜂窝结构是一种力学性能优异、可设计性强的轻质夹芯结构,受到了来自国内外学者的广泛关注和深入研究。但是现有的蜂窝结构都是直壁构型,蜂窝壁易于发生屈曲失效,承载能力不高。为解决此问题,本文提出了曲壁蜂窝拓扑强化方法,设计并制备碳纤维复合材料曲壁蜂窝结构,研究该结构面外压缩和静水压缩性能,揭示其失效模式和破坏机理。首先,从理论上预报蜂窝结构的破坏强度,并提出优化设计方法与制备工艺。为了减缓屈曲失效,提高蜂窝结构的截面惯性矩是一个有效的途径,考虑到加工复杂性和组装难度,最终将蜂窝构型设计为圆弧相切的曲壁结构。然后采用模压法制备出碳纤维曲壁蜂窝结构,使用结构胶膜粘结固化蜂窝结构与碳纤维面板,得到碳纤维曲壁蜂窝夹芯结构。其次,通过仿真和实验,研究碳纤维曲壁蜂窝结构的面外压缩性能。根据上述的构型设计和制备工艺,制备了单向和编织两种碳纤维蜂窝结构,仿真其破坏过程以及压缩强度。仿真发现蜂窝结构由于出现屈曲失效,导致结构发生破坏,实验研究曲率半径、单胞壁厚和相对密度对蜂窝结构强度和模量的影响。总结实验结果发现,与现有铝蜂窝结构对比,碳纤维曲壁蜂窝结构具有优异的面外压缩性能,当密度为0.2 g/cm3时,面外压缩强度为87MPa,是现有铝蜂窝结构强度的5倍左右;比强度为416 × 103 m2/s2,是现有铝蜂窝结构比强度的4倍左右。综上可知,碳纤维曲壁蜂窝结构具有优异的面外压缩性能,为其工程应用提供了技术支撑。为研究碳纤维蜂窝结构在深海装备中的应用潜力,本文进一步研究其在静水压力下的力学性能,首先通过仿真分析研究其力学响应、静水压缩强度和失效机理。综合考虑蜂窝结构的密度以及强度,确定相对密度为1 0%的蜂窝构型为水压模型,仿真结果发现,相比于面外压缩实验结果,静水压缩强度有所下降。分析破坏过程可知,与面外压缩破坏过程不同,蜂窝夹芯结构在承受水压载荷时,面板在没有蜂窝支撑的区域会发生较大的变形,导致其与芯子端部接触的区域形成一个曲面,芯子端部受到复杂载荷,出现应力集中问题,最终导致蜂窝夹芯结构提前失效。最后,设计和制备了耐水压试件,测试试件的静水压缩性能。实验结果发现,试件的失效模式与仿真结果吻合,均先是蜂窝芯子发生破坏,进而面板发生坍塌;实验结果为36MPa,与仿真强度吻合。同密度玻璃微珠材料只能承受6MPa左右的水压,而本文设计的碳纤维复合材料曲壁蜂窝结构耐水压性能达到36MPa,与之相比提高6倍。说明将力学性能优异的碳纤维复合材料曲壁蜂窝结构应用于深潜装备中,可大幅提升浮力结构力学性能,同时达到减重和减小体积效果,使其可以搭载更多有效载荷,提高其综合性能。