深海載人平臺(tái)框架式穩(wěn)定翼/舵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 深海載人裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214082)

深海載人平臺(tái)穩(wěn)定翼與舵裝置結(jié)構(gòu)型式相似，設(shè)計(jì)時(shí)往往一起考慮。目前關(guān)于潛水器或潛艇穩(wěn)定翼/舵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)報(bào)道較少，船標(biāo)[1-2]主要規(guī)定了常規(guī)潛艇舵裝置的設(shè)計(jì)要求和舵結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算方法，并未對(duì)如何設(shè)計(jì)穩(wěn)定翼/舵結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明；船標(biāo)[3]規(guī)定了舵裝置在潛艇上的安裝技術(shù)條件；國(guó)軍標(biāo)[4]規(guī)定了常規(guī)潛艇及核潛艇穩(wěn)定翼的計(jì)算載荷、及校核控制標(biāo)準(zhǔn)；參考其他的相關(guān)研究工作[5-8]，考慮深海載人平臺(tái)穩(wěn)定翼/舵結(jié)構(gòu)在水面會(huì)受到嚴(yán)酷的波浪砰擊載荷，且有時(shí)會(huì)掛載輔推進(jìn)器等設(shè)備，設(shè)計(jì)多種材料、結(jié)構(gòu)形式的框架式穩(wěn)定翼/舵結(jié)構(gòu)，對(duì)比分析各式穩(wěn)定翼/舵結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)與適用情況。

1 穩(wěn)定翼/舵結(jié)構(gòu)材料選擇

1.1 內(nèi)部框架

在保證足夠的強(qiáng)度和剛度的情況下，穩(wěn)定翼/舵內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)的重量應(yīng)盡可能小，即所用材料應(yīng)具有較高的比強(qiáng)度和比剛度。常用材料有鋁合金、高強(qiáng)度鋼、鈦合金等。

3種金屬材料的力學(xué)性能見表1，其中鈦合金的比強(qiáng)度遠(yuǎn)大于高強(qiáng)度鋼和鋁合金，比剛度與高強(qiáng)度鋼和鋁合金相當(dāng)，且鈦合金強(qiáng)度極限與高強(qiáng)度鋼相當(dāng)、遠(yuǎn)大于鋁合金。鈦合金潛艇不僅重量輕，而且可以潛入更大的深度。鈦制潛艇可潛入到4 500 m以下，這是鋼制潛艇無(wú)法逾越的界限。

表1 鈦合金與幾種金屬材料的比強(qiáng)度和比剛度

鑒于鈦合金材料的特性優(yōu)勢(shì)[9]，并考慮鈦合金在我國(guó)潛艇、深海載人裝備上有應(yīng)用先例，優(yōu)先選用鈦合金作為深海載人平臺(tái)穩(wěn)定翼/舵內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)的制造材料。

1.2 外部蒙皮

蒙皮材料對(duì)材料性能的要求：高強(qiáng)度比、高剛度比、較好的耐腐蝕性能，且與內(nèi)部框架材料之間不易發(fā)生電化學(xué)腐蝕。

外部蒙皮材料可選擇金屬或非金屬材料。鑒于鈦合金的優(yōu)勢(shì)，且為避免與內(nèi)部框架材料產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，金屬蒙皮材料依然優(yōu)先選取鈦合金。

常用于穩(wěn)定翼外部蒙皮的非金屬材料有玻璃鋼、碳纖維復(fù)合材料等。

綜合比較玻璃鋼、碳纖維復(fù)合材料的材料特性[10，11]，認(rèn)為應(yīng)根據(jù)蒙皮受剪情況選擇使用玻璃鋼或碳纖維復(fù)合材料。

1.3 內(nèi)部浮力材料

穩(wěn)定翼/舵內(nèi)部填充浮力材料，用于提供浮力，減輕穩(wěn)定翼/舵結(jié)構(gòu)水下重量。浮力材料是由空心玻璃微球或其他中空顆粒與聚合物基體經(jīng)混合、成型、固化而得到的新型的高強(qiáng)度、低密度復(fù)合材料，根據(jù)需要選用即可。

2 幾種型式的框架式穩(wěn)定翼/舵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 全金屬穩(wěn)定翼/舵結(jié)構(gòu)

以穩(wěn)定翼結(jié)構(gòu)為例。全金屬穩(wěn)定翼結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)部框架、外部蒙皮、內(nèi)部浮力塊組成，內(nèi)部框架由橫向翼肋、縱向翼梁構(gòu)成，翼梁和翼肋腹板上開有減重孔，內(nèi)部浮力塊設(shè)計(jì)成貼合穩(wěn)定翼蒙皮線型，對(duì)蒙皮起支撐作用，浮力塊通過(guò)螺栓與翼梁翼肋腹板連接。內(nèi)部框架與外部蒙皮均為鈦合金，內(nèi)部框架僅由腹板組成，無(wú)上下緣條，內(nèi)部框架與外蒙皮之間為焊接。這種穩(wěn)定翼結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，全鈦、全焊接方案強(qiáng)度高、比較可靠，缺點(diǎn)是鈦合金復(fù)雜曲面成型難度大，不適用于線型曲面過(guò)于復(fù)雜的蒙皮。穩(wěn)定翼結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 穩(wěn)定翼結(jié)構(gòu)示意

對(duì)穩(wěn)定翼進(jìn)行傳力分析，穩(wěn)定翼受到的最直接載荷是作用在蒙皮上的水動(dòng)力或砰擊載荷，蒙皮將載荷以剪力的形式傳遞給翼梁、翼肋的腹板，翼肋的剪力傳遞給附近的翼梁，與翼梁的剪力匯聚在一起向穩(wěn)定翼根部傳遞，從翼尖至翼根，剪力呈階梯型增加。剪力在向翼根傳遞的同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生彎矩與轉(zhuǎn)矩。彎矩主要由翼梁承受，少部分由蒙皮承受，蒙皮承受的彎矩在根部最終還是會(huì)傳遞到翼梁上，全部由翼梁承受。轉(zhuǎn)矩主要由翼梁、翼肋和蒙皮組成的封閉翼盒以一圈圈剪流的形式向根部傳遞，此時(shí)蒙皮、翼梁均受剪力，最終所有的轉(zhuǎn)矩在根部由翼梁以剪力形式承受。由此可以看出，翼根與艇體連接位置最容易破壞。

2.2 玻璃鋼蒙皮-鈦合金框架穩(wěn)定翼/舵結(jié)構(gòu)

玻璃鋼蒙皮穩(wěn)定翼結(jié)構(gòu)主要由玻璃鋼蒙皮、內(nèi)部鈦合金框架、浮力塊組成，與全鈦合金穩(wěn)定翼方案的區(qū)別在于采用玻璃鋼蒙皮代替鈦合金蒙皮，內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)與浮力塊建造、安裝完成后，直接在框架與浮力塊結(jié)構(gòu)上糊制蒙皮。

采用玻璃鋼蒙皮的優(yōu)勢(shì)是可以制作曲面復(fù)雜的蒙皮，降低蒙皮結(jié)構(gòu)的重量，缺點(diǎn)是玻璃鋼蒙皮的剪切性能較弱，在穩(wěn)定翼結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)載荷較大時(shí)容易發(fā)生剪切失效，且長(zhǎng)期承受波浪砰擊載荷會(huì)使玻璃鋼層間開膠。

2.3 碳纖維蒙皮-鈦合金框架穩(wěn)定翼/舵結(jié)構(gòu)

碳纖維蒙皮穩(wěn)定翼/舵結(jié)構(gòu)由碳纖維蒙皮、內(nèi)部鈦合金框架、浮力塊組成，與玻璃鋼蒙皮穩(wěn)定翼方案的區(qū)別在于采用碳纖維復(fù)合材料蒙皮代替玻璃鋼蒙皮。相比玻璃鋼蒙皮，碳纖維復(fù)合材料蒙皮抗剪切能力更強(qiáng)，可以比玻璃鋼蒙皮承受更大的扭轉(zhuǎn)載荷，缺點(diǎn)是碳纖維復(fù)合材料蒙皮的成本比較高。

2.4 混合材料蒙皮穩(wěn)定翼/舵結(jié)構(gòu)

鈦合金蒙皮具有優(yōu)秀的力學(xué)性能，但復(fù)雜曲面難成型、重量較大；玻璃鋼和碳纖維復(fù)合材料蒙皮復(fù)雜曲面易成型、重量輕，但材料剪切性能較弱，不適用于承受大扭轉(zhuǎn)載荷的穩(wěn)定翼/舵結(jié)構(gòu)。綜合鈦合金與玻璃鋼、碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)，可將蒙皮分區(qū)域使用不同材料制造。上、下蒙皮大面積的主要承力區(qū)域線型平緩、曲面簡(jiǎn)單，可以使用鈦合金制造，蒙皮前緣、根部過(guò)渡區(qū)等曲面比較復(fù)雜的小面積區(qū)域，可以使用玻璃鋼材料制造。混合材料蒙皮穩(wěn)定翼結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 混合材料蒙皮穩(wěn)定翼結(jié)構(gòu)示意

2.5 內(nèi)部框架含上下緣條的穩(wěn)定翼/舵結(jié)構(gòu)

以上4種穩(wěn)定翼/舵結(jié)構(gòu)形式的內(nèi)部框架均不含上、下緣條，但在穩(wěn)定翼或舵裝置翼型剖面厚度比較小、承受較大的波浪砰擊載荷時(shí)，設(shè)計(jì)的內(nèi)部框架腹板厚度會(huì)超出常規(guī)穩(wěn)定翼/舵結(jié)構(gòu)框架腹板經(jīng)驗(yàn)厚度區(qū)間。梁的抗彎性能主要取決于梁截面的抗彎模量，梁截面為矩形時(shí)，抗彎模量為

W=bh2/6

(1)

式中：h為梁截面高度；b為梁截面厚度。

由式(1)可見，增大梁截面厚度的抗彎效果遠(yuǎn)低于增大梁截面高度所帶來(lái)的抗彎效果。即應(yīng)首先考慮能否改變翼型，選用厚度比較大的翼型剖面。距離梁截面中線越遠(yuǎn)的部分對(duì)慣性矩的貢獻(xiàn)越大，因此，也可以考慮通過(guò)設(shè)置上下緣條的方法提高翼梁的抗彎性能。適用于穩(wěn)定翼/舵結(jié)構(gòu)內(nèi)部框架的緣條截面型式有矩形、L形和T形，其中L形和T形緣條抗彎能力更好。通過(guò)設(shè)置上下緣條可以大幅降低內(nèi)部框架的結(jié)構(gòu)重量。缺點(diǎn)是含上下緣條的內(nèi)部框架與金屬蒙皮之間焊接存在困難，但可以通過(guò)緣條預(yù)設(shè)螺母，通過(guò)螺栓對(duì)蒙皮進(jìn)行安裝。內(nèi)部框架含上下緣條的穩(wěn)定翼結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 框架含上下緣條的穩(wěn)定翼框架結(jié)構(gòu)示意

3 強(qiáng)度分析與重量對(duì)比

在相同工況下，對(duì)全鈦合金結(jié)構(gòu)、玻璃鋼蒙皮-鈦合金框架、碳纖維復(fù)材蒙皮-鈦合金框架、內(nèi)部框架含上下緣條的全鈦合金穩(wěn)定翼等4種形式結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析對(duì)比。穩(wěn)定翼實(shí)體模型及有限元網(wǎng)格模型見圖4。

圖4 本文算例實(shí)體模型及有限元網(wǎng)格模型

1)載荷。選擇波浪砰擊載荷進(jìn)行校核，工況取文獻(xiàn)[5]中的四級(jí)海況上限，取對(duì)應(yīng)的1/3有義波高(H1/3=2.5 m)的靜水柱壓力，并考慮動(dòng)載系數(shù)(取2.0)，最終砰擊載荷壓力為0.05 MPa。

2)安全系數(shù)。鈦合金材料安全系數(shù)取1.5[12]，玻璃鋼、碳纖維復(fù)合材料的安全系數(shù)，尚缺少統(tǒng)一的規(guī)范，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)并參考文獻(xiàn)[5]，校核時(shí)，玻璃鋼、碳纖維復(fù)合材料可以等效成各向同性材料，安全系數(shù)取3。

3)材料性能。材料屬性見表2。

表2 計(jì)算所用材料屬性

幾種框架式穩(wěn)定翼結(jié)構(gòu)的主要尺寸及重量見表3。需要說(shuō)明的是，穩(wěn)定翼翼梁根部有所加厚，且靠近根部的翼肋(以下稱為根肋)相比其他翼肋厚度較大，見圖3。

有限元強(qiáng)度分析應(yīng)力結(jié)果見表4。

由強(qiáng)度校核結(jié)果可以看出，玻璃鋼蒙皮的剪切強(qiáng)度不滿足要求，原因是該穩(wěn)定翼的后掠角較大，導(dǎo)致穩(wěn)定翼在波浪砰擊載荷下產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)載荷。若要使玻璃鋼蒙皮剪切強(qiáng)度滿足要求，則需對(duì)其進(jìn)行加厚或局部加厚，但會(huì)導(dǎo)致其不再具有重量?jī)?yōu)勢(shì)。

表3 幾種框架式穩(wěn)定翼主要結(jié)構(gòu)的厚度尺寸及重量

對(duì)比以上幾種方案的結(jié)構(gòu)重量，可以看出，碳纖維復(fù)材蒙皮-鈦合金框架結(jié)構(gòu)重量最輕，內(nèi)部框架含上下緣條的全鈦合金方案次之，全鈦合金方案的重量最大。

4 優(yōu)缺點(diǎn)與適用情況

結(jié)合以上對(duì)幾種框架式穩(wěn)定翼結(jié)構(gòu)的分析討論，從力學(xué)性能、重量、工藝等方面總結(jié)各方案的優(yōu)缺點(diǎn)與適用情況，結(jié)果見表5。

表5 幾種框架式穩(wěn)定翼方案的優(yōu)缺點(diǎn)與適用情況

5 結(jié)論

1)考慮到嚴(yán)酷的波浪砰擊載荷，且有時(shí)會(huì)掛載輔推進(jìn)器等設(shè)備，因此將深海載人平臺(tái)穩(wěn)定翼/舵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成框架式。

2)考慮力學(xué)性能、重量與耐腐蝕能力，深海載人平臺(tái)穩(wěn)定翼/舵結(jié)構(gòu)選擇鈦合金作為框架材料，鈦合金、玻璃鋼或碳纖維復(fù)合材料作為蒙皮材料。

3)設(shè)計(jì)的多種形式的穩(wěn)定翼/舵結(jié)構(gòu)沒(méi)有絕對(duì)的優(yōu)劣，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的方案。各方案的適用情況為：全鈦合金方案適用于載荷嚴(yán)酷、蒙皮曲面簡(jiǎn)單、重量要求低的情況；玻璃鋼或碳纖維蒙皮-鈦合金框架方案適用于蒙皮曲面復(fù)雜、扭轉(zhuǎn)載荷較小的情況；混合材料蒙皮適用于載荷嚴(yán)酷、蒙皮曲面復(fù)雜的情況；內(nèi)部框架含上下緣條的結(jié)構(gòu)方案適用于翼型剖面厚度比太小的情況。