玻璃鋼球鼻首導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)設(shè)計

王 琳任 鴻侯海量

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011；2.海軍工程大學(xué) 武漢430033）

0 引 言

隨著海軍裝備的現(xiàn)代化，為了適應(yīng)反潛作戰(zhàn)需要，許多軍輔船在球鼻首部位安裝了大型水聲探測設(shè)備和導(dǎo)流罩。作為聲納設(shè)備工作艙室的球鼻首導(dǎo)流罩不僅應(yīng)具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、水密性，以承受外部水動壓力和聲納工作的內(nèi)部水壓力，還要具有良好的透聲性能，以更好發(fā)揮聲納的使用效能；同時還要考慮建造工藝等多方面問題。本文對某型試驗艦球鼻首導(dǎo)流罩的設(shè)計進(jìn)行探討。

1 球鼻首導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

球鼻首導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)設(shè)計目的是要保證其在服役過程中的安全性和可靠性，其設(shè)計流程如下頁圖1所示。在保證強(qiáng)度和穩(wěn)定性的同時，應(yīng)滿足其聲學(xué)性能要求。

2 玻璃鋼球鼻首導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 殼板選材

圖1 球鼻首導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

我國艦艇的球鼻首材料經(jīng)歷了從不銹鋼到玻璃鋼再到鈦合金的漫長過程。之前采用不銹鋼材料，但由于其透聲性能差，不適合聲納的工作環(huán)境，而且直接與船體焊接造成電化腐蝕，新設(shè)計的船舶已經(jīng)不再使用。

目前我國普遍采用的導(dǎo)流罩殼板材料有高強(qiáng)度玻璃鋼和鈦合金兩種。玻璃鋼材料具有造價低、透聲性能好、易成型等優(yōu)點，將其作為球鼻首的技術(shù)也較為成熟，但缺點是易老化、材料本身具有脆性、殼體易損傷漏水，從而影響水聲探測儀器功能，且維修費用較高。鈦合金作為一種新興的球鼻首材料，最近也得到了廣泛應(yīng)用。它的優(yōu)點是耐腐蝕性強(qiáng)、疲勞強(qiáng)度高、抗沖擊能力強(qiáng)、同等強(qiáng)度下結(jié)構(gòu)板薄，但缺點是造價高，且透聲性能較玻璃鋼差。綜合考慮某型船的造價和聲納工作要求等情況后，決定采用高強(qiáng)度玻璃鋼3201SGRP（玻璃鋼增強(qiáng)纖維）作為球鼻首的殼板材料較為合適。

2.2 殼板材料力學(xué)和聲學(xué)性能

3201SGRP的機(jī)械性能簡述如下：

拉伸強(qiáng)度：干態(tài)390 MPa

濕態(tài)330 MPa

拉伸彈性模量：干態(tài)1.85×104MPa

濕態(tài) 1.51×104MPa

彎曲強(qiáng)度：干態(tài)390 MPa

濕態(tài)340 MPa

彎曲彈性模量：干態(tài)1.85×104MPa

濕態(tài) 1.7×104MPa

沖壓剪切強(qiáng)度：干態(tài)103 MPa

濕態(tài)88 MPa

壓縮強(qiáng)度：干態(tài)245 MPa

濕態(tài)210 MPa

沖擊韌性：干態(tài) 缺口平行布層32 J/cm2

缺口垂直布層12.5 J/cm2

提供泊桑比：含膠量控制在50%左右。

3201SGRP的透聲性能測試結(jié)果也是令人滿意的，見表1。

表1 3201SGRP材料透聲性能測試結(jié)果

玻璃鋼聲納導(dǎo)流罩的機(jī)械性能、硬度、樹脂含量、厚度偏差、聲學(xué)性能等條件均應(yīng)符合國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB24A-95《聲納導(dǎo)流罩用玻璃纖維增加塑料規(guī)范》和GJB276-87《聲納導(dǎo)流罩通用技術(shù)條件》的要求。

2.3 主體結(jié)構(gòu)形式

設(shè)置聲納導(dǎo)流罩的目的是改善流場、保證聲納的工作環(huán)境，但導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)同時也妨礙了聲波的正常傳播，導(dǎo)致聲功率的損失及波形的畸變。導(dǎo)流罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計目標(biāo)就是在保證導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和水密性前提下，盡可能提高導(dǎo)流罩透聲性能。

從聲學(xué)角度考慮，要求導(dǎo)流罩的透聲窗（即板格）要盡量大，盡可能減少構(gòu)架高度和殼板厚度，構(gòu)架布置要稀疏，加強(qiáng)筋應(yīng)沿著聲波輻射方向布置，以減少結(jié)構(gòu)對聲波的阻擋，避免產(chǎn)生近場反射，提高透聲能力。從強(qiáng)度和剛度角度考慮，球鼻首主要承受舷外靜水壓力和動水壓力、首部迎浪砰擊壓力和聲納內(nèi)部工作水壓力。因此參考相關(guān)規(guī)范（GJB 4000-2000第165章）和母型船的構(gòu)架形式，該船球鼻首導(dǎo)流罩的透聲區(qū)域?qū)Я髡謿ぐ逶O(shè)計為高強(qiáng)度玻璃鋼，板格大小不大于460 mm×1 150 mm；導(dǎo)流罩加強(qiáng)筋設(shè)計為采用水平筋與徑向筋交叉的鋼結(jié)構(gòu)型式（參見下文中的圖7），徑向筋以聲基陣垂向軸為中心沿聲波發(fā)射方向采用輻射狀布置，見圖2。

圖2 球鼻首平臺平面圖

某船主船體采用CCSB級普通鋼建造，按GJB 4000-2000第165章要求“鋼構(gòu)架一般選用與主船體結(jié)構(gòu)相同牌號的鋼材”，但由于首部受力較大且加強(qiáng)筋布置位置的局限，導(dǎo)致加強(qiáng)筋上受力偏大，經(jīng)有限元強(qiáng)度計算，決定球鼻首分段中的鋼結(jié)構(gòu)部分采用CCSD36級高強(qiáng)度鋼建造。

水平和徑向加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)設(shè)計除考慮強(qiáng)度要求外，還要盡量減少對聲波的反射干擾以及構(gòu)件側(cè)面積，因而取消球鼻首內(nèi)所有水平和徑向加強(qiáng)筋面板，均設(shè)計為扁鋼形式。雖然徑向筋已按聲波輻射方向布置，但聲納基陣聲波有各種工況，在全面發(fā)射時，由于聲波在構(gòu)架表面的反射驟增，造成導(dǎo)流罩透聲性能下降。因此參考母型船的設(shè)計，在聲納設(shè)備的透聲窗口范圍內(nèi)，加強(qiáng)筋腹板均采用近似桁架的方案設(shè)計，即在加強(qiáng)筋腹板上開孔，參見圖3。對于以承受彎曲應(yīng)力為主的加強(qiáng)筋而言，這種開孔對其強(qiáng)度的影響較小，卻能較大改善導(dǎo)流罩的透聲性能。

玻璃鋼材料抗沖擊能力相對較弱，因此將球鼻首底部的非透聲區(qū)域設(shè)計為鋼結(jié)構(gòu)箱式托底。為方便與主船體其他鋼結(jié)構(gòu)部分連接，對位于透聲窗之外的球鼻首上部安裝平臺附近和后部艙壁附近均采用鋼結(jié)構(gòu)制造。同時，聲納安裝平臺采用鋼結(jié)構(gòu)既能夠保證聲納設(shè)備基座的強(qiáng)度和精度，也便于安裝。

圖3 透聲孔布置圖

2.4 球鼻首導(dǎo)流罩的連接結(jié)構(gòu)

玻璃鋼外板與周圍鋼制外板的連接采用“柔性預(yù)緊密封螺釘”連接方式［1］，連接形式見圖4。

圖4 玻璃鋼與鋼制外板的連接

導(dǎo)流罩殼體與內(nèi)部鋼質(zhì)加強(qiáng)構(gòu)件之間采用了纖維樁連接方式［2］，纖維樁基本結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 纖維樁單元基本結(jié)構(gòu)圖

殼板變形和應(yīng)力與纖維樁布置的疏密程度有很大關(guān)系，因此在均勻布樁的基礎(chǔ)上進(jìn)行有限元分析，并根據(jù)計算結(jié)果在變形和應(yīng)力較大處增加纖維樁，從而在滿足強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，使用盡可能少的纖維樁。

3 球鼻首導(dǎo)流罩強(qiáng)度及穩(wěn)定性計算

為保證球鼻首聲納導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)的可靠性，采用通用有限元程序MSC.NASTRAN對其鋼構(gòu)架和玻璃鋼殼板的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計算。

3.1 球鼻首導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)設(shè)計載荷［3］

球鼻首導(dǎo)流罩所承受的外載荷是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，水面艦船球鼻首聲納導(dǎo)流罩及其艦上支撐結(jié)構(gòu)（包括球鼻首平臺）承受的外載荷包括球鼻首迎浪砰擊壓力、艦船全速迎浪航行時的水動壓力、舷外靜水壓力、內(nèi)部工作壓力。因此，球鼻首應(yīng)設(shè)計成能承受以上所有載荷及其最不利組合的合成載荷。

3.1.1 迎浪最大砰擊壓力

根據(jù)GJB 4000-2000“艦船通用規(guī)范”第165章的相關(guān)規(guī)定，迎浪最大砰擊壓力按公式1計算：

式中：P0max為迎浪最大砰擊壓力（kPa）；

hr為諧振波高（m），為安全起見選擇無限航區(qū)的波高公式。

經(jīng)計算，P0max=190 kPa

3.1.2 艦艇全速航行時的水動壓力

艦艇全速航行時的水動壓力按公式2確定：

式中：p 為水動壓力（kPa）；

經(jīng)計算，p=40.52 kPa

3.1.3 舷外靜水壓力

舷外靜水壓力按式3確定：

式中：P 為計算載荷（kPa）；

T為計算剖面的吃水（m）。

3.1.4 內(nèi)部工作壓力

導(dǎo)流罩在聲納陣中心點承受120 kPa（12 m水柱高）的內(nèi)部工作壓力。

3.2 有限元強(qiáng)度計算

3.2.1 計算工況及有限元模型

在進(jìn)行有限元計算時，選擇最不利的幾種工況。

工況A：忽略內(nèi)壓僅迎浪砰擊作用；

工況B：內(nèi)壓與迎浪砰擊共同作用；

工況C：僅內(nèi)壓作用；

工況D：內(nèi)壓與舷外靜水壓力共同作用。

根據(jù)球鼻首結(jié)構(gòu)圖和球鼻首型線圖，采用有限元程序MSC.NASTRAN建立三維有限元模型［4］?？紤]船體結(jié)構(gòu)的對稱性，取中縱剖面的一側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，以減少工作量。在縱剖面殼板邊界上施加對稱邊界條件。此外，由于導(dǎo)流罩四周采用鋼壓條通過螺栓固定，殼板上沿和后端采用剛性固定邊界條件，故忽略導(dǎo)流罩底部實際結(jié)構(gòu)，采用足夠厚的鋼板近似。見圖6。

圖6 球鼻首模型

導(dǎo)流罩殼板為10 mm厚的高強(qiáng)度玻璃鋼，計算中玻璃鋼聲納導(dǎo)流罩材料的拉伸彈性模量取為濕態(tài)：1.51×104MPa；泊松比為 0.16；拉伸強(qiáng)度為：330 MPa（濕態(tài)）。導(dǎo)流罩內(nèi)水平桁材和徑向加強(qiáng)筋材料為高強(qiáng)度鋼，屈服強(qiáng)度σs=355 MPa，泊松比0.3，密度為7.85×103kg/m3，E 為 2.06×106MPa。玻璃鋼殼板采用板殼單元模擬，其尺寸為20×20 mm2。水平桁材和徑向加強(qiáng)筋均采用梁單元模擬，橫截面形狀取為矩形，其寬度取水平桁材或徑向加強(qiáng)筋的厚度，高度取水平桁材或徑向加強(qiáng)筋兩個透聲孔之間的最小寬度。

導(dǎo)流罩承受航行時190 kPa的迎浪砰擊壓頭，分布規(guī)律為：在球首底部為最大值，在長軸（橫向）半徑處為零，沿短軸（垂向）半徑按徑向呈線性分布（見下頁圖7）。

3.2.2 應(yīng)力衡準(zhǔn)

根據(jù)規(guī)范玻璃鋼殼板最大應(yīng)力應(yīng)不大于材料濕態(tài)抗拉強(qiáng)度的二分之一，即165 MPa。導(dǎo)流罩內(nèi)加強(qiáng)筋材料為高強(qiáng)度鋼，屈服強(qiáng)度σs=355 MPa，許用應(yīng)力?。郐遥?0.9σs=319.5 MPa。

圖7 迎浪砰擊壓力分布

3.2.3 強(qiáng)度計算結(jié)果

經(jīng)有限元計算發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)流罩玻璃鋼殼板的最大應(yīng)力和水平桁材及徑向加強(qiáng)筋的最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在工況A（忽略內(nèi)壓影響的砰擊強(qiáng)度）條件下；而玻璃鋼殼板的最大位移、水平桁材和徑向加強(qiáng)筋的最大拉應(yīng)力和鋼構(gòu)架最大位移均出現(xiàn)在工況B（考慮內(nèi)壓影響的砰擊強(qiáng)度）條件下。各工況的有限元計算結(jié)果見表2。

表2 有限元計算結(jié)果

導(dǎo)流罩玻璃鋼殼板最大應(yīng)力為55.2 MPa，發(fā)生于玻璃鋼殼板與底部下端夾持邊界，應(yīng)力分布見圖8。

圖8 忽略內(nèi)壓時玻璃鋼殼板應(yīng)力分布（MPa）

導(dǎo)流罩玻璃鋼殼板最大位移為2.97 mm，撓度分布見圖9。

圖9 考慮內(nèi)壓時玻璃鋼殼板撓度分布（mm）

導(dǎo)流罩水平桁材和徑向加強(qiáng)筋的彎曲應(yīng)力和軸向應(yīng)力合成后，最大合成拉應(yīng)力為228 MPa，應(yīng)力分布見圖10。

圖10 考慮內(nèi)壓時梁截面上的合成拉應(yīng)力

水平桁材和徑向加強(qiáng)筋的最大合成壓應(yīng)力為161 MPa，應(yīng)力分布見圖11。

圖11 忽略內(nèi)壓時梁截面上的合成壓應(yīng)力

水平桁材和徑向加強(qiáng)筋的最大位移為：0.159 mm，撓度分布見圖12。

圖12 考慮內(nèi)壓時鋼構(gòu)架撓度分布（mm）

3.3 穩(wěn)定性計算

考慮到導(dǎo)流罩可能產(chǎn)生非左右對稱的失穩(wěn)模態(tài)，進(jìn)行穩(wěn)定性計算時采用完整模型。穩(wěn)定性計算只考慮模型受迎浪砰擊壓力作用。計算模型的前十階失穩(wěn)模態(tài)，結(jié)果表明：導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)前十階失穩(wěn)模態(tài)均為殼板的局部失穩(wěn)，圖13為首階失穩(wěn)模態(tài)圖，此時臨界失穩(wěn)壓力為2 318 kPa（236.3 m水壓），遠(yuǎn)大于導(dǎo)流罩各種工況的最大工作壓力。

圖13 失穩(wěn)模態(tài)圖

經(jīng)過有限元計算表明，球鼻首導(dǎo)流罩殼板和鋼構(gòu)架結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。

4 結(jié) 論

隨著聲納設(shè)備越來越多地應(yīng)用于船舶中，球鼻首導(dǎo)流罩的設(shè)計也越來越受到重視。本文旨在通過某型船玻璃鋼球鼻首結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程，介紹作為聲納設(shè)備工作艙室的球鼻首導(dǎo)流罩的設(shè)計特點和特殊要求，為其他類似船舶的設(shè)計提供參考。

［1］海軍工程大學(xué).玻璃鋼導(dǎo)流罩連接結(jié)構(gòu)及纖維樁布樁方案建議計算報告［R］.2011.

［2］朱錫，李海濤，查友其，等.玻璃鋼導(dǎo)流罩新型密封結(jié)構(gòu)設(shè)計及其模型試驗研究［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報.2004，16（4）：18-21.

［3］中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 4000.艦船通用規(guī)范［S］.2000.

［4］海軍工程大學(xué).球鼻首導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算報告［R］.2011.