復(fù)合材料地效翼船浮筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

金星瑜，程瑞松，尤國(guó)紅，石亞軍,，周秀紅

(1.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082；2.中船重工(海南)飛船發(fā)展有限公司,海南 三亞 572000)

地效翼船位于水翼翼梢的浮筒(又稱側(cè)浮體)是橫向穩(wěn)定性的重要保障，又是浮航過程中與船身共同排水，產(chǎn)生浮力和水動(dòng)升力的組件[1-2]。近年來，國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)人員基于輕量化設(shè)計(jì)思想，常選用高強(qiáng)纖維布和泡沫夾芯固化的夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料進(jìn)行中小型地效翼船設(shè)計(jì)。船身(主浮舟)、水翼及操縱舵蒙皮和內(nèi)部框梁結(jié)構(gòu)的復(fù)材化不僅可以有效減重，相應(yīng)的理論計(jì)算與使用經(jīng)驗(yàn)也明確了夾層復(fù)合材料保證船體局部剛度、滿足強(qiáng)度安全性的積極作用[3]。作為重要結(jié)構(gòu)組件，浮筒本身有全密封、排水體積大、氣動(dòng)和水阻力小的性能要求。而玻璃鋼泡沫夾芯復(fù)合材料膠接成型，表皮光順無鉚釘孔，減阻減重且具有優(yōu)良的水密性，針對(duì)浮筒濕面積大和長(zhǎng)期高頻次浸水的特點(diǎn)，尤其具有適用性。為進(jìn)一步探討夾層復(fù)合材料應(yīng)用于地效翼船浮筒的可行性，基于某型4 t級(jí)上單翼布局的地效翼船，設(shè)計(jì)雙劍斜桿支撐式夾層復(fù)合材料浮筒，方案包括浮筒與主翼的連接方式、外型尺寸和內(nèi)部縱橫向構(gòu)件布置。利用CATIA軟件建立三維模型并導(dǎo)入Hypermesh前處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格離散，采用MSC.Patran/Nastran軟件對(duì)浮筒著水工況進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，對(duì)整體和局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核并提出局部加強(qiáng)方案。

1 浮筒連接與構(gòu)造方案

1.1 浮筒與主翼連接方式

圖1分別為我國(guó)和俄羅斯的兩款地效翼船，對(duì)于采用主翼下反布局的“XTW-5”型，浮筒位于主翼的內(nèi)外翼折角下端保證側(cè)傾時(shí)低位觸水，而“兩棲星”型地效翼船的浮筒則位于小展弦比矩形翼翼梢，幾乎與船底同高。這種浮筒實(shí)質(zhì)上更接近于側(cè)浮體，除排水浮航，還充當(dāng)翼梢端板，減少機(jī)翼氣動(dòng)誘導(dǎo)阻力并加強(qiáng)氣墊效應(yīng)，達(dá)到動(dòng)力增升提高地效區(qū)飛行性能的目的。

圖1 兩型安裝翼梢側(cè)浮體的地效翼船

此類浮筒(側(cè)浮體)直接與水翼一體安裝，內(nèi)部構(gòu)件相當(dāng)于水翼梁肋的延伸，因而觸水時(shí)能夠快速將砰擊載荷傳遞到翼與船身的強(qiáng)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)安全性較易實(shí)現(xiàn)。

本文所述浮筒設(shè)計(jì)是為了用于上單翼布局的4 t級(jí)地效翼船平臺(tái)。與圖1中傳統(tǒng)布局的地效翼船不同的是，該型號(hào)主翼平直高置無下反角，發(fā)動(dòng)機(jī)置于機(jī)翼上方，最主要目的是提高抗浪性和適航性，避開噴濺，大幅提高海面起降能力。該布局致使翼面距水線較遠(yuǎn)，若仍采用前文側(cè)浮體性質(zhì)的浮筒，著水時(shí)船身需要側(cè)傾很大角度翼梢浮體才能觸水，無法滿足橫向穩(wěn)定性要求。

據(jù)此設(shè)計(jì)“雙劍桿斜撐”式連接方式，浮筒通過“V”形支撐件與機(jī)翼下表面連接，浮筒底部接近船身水線高度，保證地效翼船受到橫向擾動(dòng)側(cè)傾時(shí)單邊浮筒可以快速觸水，見圖2。

圖2 上單翼布局地效翼船單側(cè)著水示意

1.2 浮筒結(jié)構(gòu)外形及尺寸

浮筒艏部較高，頂部呈圓弧形。底部為滑行面，前體舭線以下設(shè)置舭彎，以抑制水面滑行時(shí)噴濺沖刷主翼和翼根舵面。中部設(shè)置斷階，后體底面具有斜升角，進(jìn)一步減小水面滑行狀態(tài)下的水阻力和吸力。外型尺寸參數(shù)見表1。

表1 浮筒外型尺寸參數(shù)

浮筒完整結(jié)構(gòu)由蒙皮和內(nèi)部縱橫向構(gòu)件組成。橫向構(gòu)件包括隔框、隔板和尾部封板，QF0/HF0框位為斷階剖面，前體中自斷階至艏部另有4個(gè)隔框，后體至艉部另有2個(gè)隔框。隔框編號(hào)自斷階向艏艉遞增。斷階前底部為著水受力面，此處框位布置較密，QF0、QF1和QF2處隔框與隔板一體固聯(lián)形成水密板，將浮筒內(nèi)部隔成4個(gè)水密艙室。

縱向構(gòu)件包括龍骨和桁條，龍骨緊貼蒙皮內(nèi)表面貫穿隔框，從艏部無間斷延伸至艉部，為縱向強(qiáng)受力構(gòu)件。桁條分別位于浮筒頂部、中部和底部，按浮筒中縱剖面對(duì)稱布置，起到減小蒙皮板格變形增加局部穩(wěn)定性的作用。浮筒外型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置見圖3。

圖3 浮筒內(nèi)部構(gòu)件布置

浮筒的支撐件對(duì)稱布置，斜撐軸線與浮筒中縱剖面夾角為20°。支撐件為墻肋-蒙皮結(jié)構(gòu)，下端與浮筒中央隔框凸出的耳片嵌套粘接，上端通過厚3 mm的實(shí)心玻纖布翻邊與主翼的下翼面粘接，由此既可將浮筒固定在相應(yīng)位置，又可實(shí)現(xiàn)浮筒向主翼強(qiáng)梁的載荷傳遞。

1.3 內(nèi)部夾層構(gòu)件設(shè)計(jì)

浮筒各構(gòu)件均為玻璃鋼泡沫夾層結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同部位受載嚴(yán)酷程度對(duì)表皮玻璃鋼和夾芯泡沫厚度靈活設(shè)計(jì)。蒙皮根據(jù)夾層厚度不同分為若干區(qū)域，圖4中艏部0.5/8/0.4A指蒙皮區(qū)域A的夾層尺寸，外側(cè)和內(nèi)側(cè)玻璃鋼表皮分別厚0.5 mm和0.4 mm，泡沫夾芯厚8 mm。

圖4 艏部蒙皮分區(qū)厚度

浮筒內(nèi)部縱橫向構(gòu)件厚度和寬度尺寸各異。圖5中斷階夾層特指前體自框位QF2～QF0，底部蒙皮C區(qū)外粘接的變厚度段夾層。該夾層段的泡沫夾芯制成楔形并根據(jù)浮筒底面理論外形修型，最后將其內(nèi)表面與蒙皮C區(qū)外表面膠粘，過渡成完整的外接斷階，該設(shè)計(jì)保證內(nèi)部龍骨走勢(shì)光順。

圖5 浮筒斷階位置構(gòu)件夾層結(jié)構(gòu)

龍骨厚度均勻，夾芯泡沫底面與浮筒底內(nèi)蒙皮粘接，另外三邊泡沫裸露部分用玻纖布封閉。龍骨及其余構(gòu)件與浮筒蒙皮內(nèi)表面的膠接縫粘貼玻纖布加強(qiáng)，防止受載時(shí)局部變形過大導(dǎo)致粘接部位撕裂脫膠破壞結(jié)構(gòu)和傳力的完整性，見圖6，隔框、隔板和桁條的結(jié)構(gòu)、粘接方式與龍骨類似。

圖6 龍骨橫剖面

2 浮筒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析

2.1 設(shè)計(jì)載荷及計(jì)算工況

地效翼船正常起飛滑行、地效區(qū)航行和對(duì)稱著水時(shí)，浮筒外載荷有氣動(dòng)升阻力、水阻力和浮力，但是這些工況浮筒受載嚴(yán)酷程度遠(yuǎn)小于船體非對(duì)稱著水后單側(cè)浮筒著水工況。因此設(shè)計(jì)載荷以單側(cè)著水工況的載荷為基礎(chǔ)進(jìn)行確定。經(jīng)總體設(shè)計(jì)測(cè)算，該型地效翼船單側(cè)浮筒著水，作用于浮筒底部合力為PZS=15.11 kN。該值為單側(cè)浮筒著水的最大外載荷，即使用載荷值。設(shè)計(jì)載荷為使用載荷乘以安全系數(shù)f。

PSJ=PZS·f=15.11×1.5=22.67 kN。

設(shè)計(jì)載荷PSJ為水對(duì)浮筒底面的砰擊反作用力，方向垂直向上。著水長(zhǎng)度為斷階前0.2 m，著水面為底部龍骨線上至舭線的外表面，由于著水瞬間整面觸水且著水面積小，故認(rèn)為著水面上的水壓為均布載荷?？紤]2種計(jì)算工況:①工況1,著水面兩側(cè)水壓相等；②工況2,著水面靠近機(jī)翼翼尖(朝外)一側(cè)水壓在垂直方向上的合力占設(shè)計(jì)載荷的75%，靠近翼根(朝內(nèi))一側(cè)占25%。

2種工況合力相等，工況2計(jì)算目的是考慮不良水面環(huán)境如側(cè)風(fēng)、斜浪，造成浮筒本身在涌浪中受載顯著非對(duì)稱，考察此時(shí)浮筒局部的變形和應(yīng)力分布情況，分析并加強(qiáng)薄弱區(qū)域，提高安全裕度。根據(jù)著水面積計(jì)算兩側(cè)均布?jí)簭?qiáng)值，作為有限元仿真載荷輸入，見表2。

表2 浮筒計(jì)算工況受壓面加載值 kPa

圖7 浮筒底部著水受壓狀態(tài)

2.2 仿真模型及材料定義

在前處理軟件Hypermesh中對(duì)浮筒及其支撐劍桿進(jìn)行網(wǎng)格離散，蒙皮、隔框、龍骨和桁條網(wǎng)格類型主要為四邊形和少數(shù)三角形的二維殼單元，縱橫向構(gòu)件包覆里側(cè)邊的實(shí)心玻璃鋼采用一維Beam梁?jiǎn)卧?，網(wǎng)格尺寸30 mm，局部加密。單元數(shù)量23 920，節(jié)點(diǎn)數(shù)量22 161。網(wǎng)格模型見圖8。

圖8 浮筒有限元模型單元網(wǎng)格

將網(wǎng)格模型導(dǎo)入有限元仿真軟件MSC.Patran/Nastran，用Laminate選項(xiàng)定義各部件殼單元的夾層、材料屬性。根據(jù)圖5設(shè)計(jì)方案，斷階夾層厚度由QF2至QF0框位漸變加厚。建模時(shí)為簡(jiǎn)化材料屬性設(shè)置，模型中僅對(duì)QF1～QF0框位之間的底面網(wǎng)格賦予斷階夾層材料屬性，從底面至舭彎將其劃分為H1、H2和H3三個(gè)區(qū)域，H1區(qū)域邊界距底面高度73 mm，H2區(qū)域邊界距底面高度130 mm，夾芯泡沫厚度取對(duì)應(yīng)各自域內(nèi)泡沫厚度最小值，分別為20、12、8 mm。由此夾層斷階各區(qū)域計(jì)算剛度小于實(shí)際值，計(jì)算結(jié)果用于強(qiáng)度校核將偏保守。

施加邊界條件，將浮筒支撐件與機(jī)翼連接處的一圈節(jié)點(diǎn)固支，在斷階前底部長(zhǎng)0.2 m的著水面兩側(cè)施加對(duì)應(yīng)均布?jí)簭?qiáng)。玻璃鋼材料特性由上海玻璃鋼研究院檢測(cè)，PVC泡沫性能由廠家提供，材料彈性常數(shù)及強(qiáng)度數(shù)值見表3、4。

表3 玻璃鋼及泡沫彈性常數(shù)

表4 玻璃鋼及泡沫極限強(qiáng)度值 MPa

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

獲取浮筒在著水工況1和工況2下的變形和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果并進(jìn)行分析。浮筒底部為直接觸水部位，可最直觀地反映變形狀況和撓度。由圖9可見，浮筒斷階著水致使艉部上翹艏部下沉，觸水位置蒙皮板格顯著內(nèi)凹。工況1載荷對(duì)稱，因此整體變形也關(guān)于浮筒中縱面對(duì)稱，工況2受非對(duì)稱載荷，斷階夾層單側(cè)內(nèi)凹明顯，局部變形撓度較大。用時(shí)，浮筒整體發(fā)生一定程度的橫向偏轉(zhuǎn)：艏部外旋、艉部?jī)?nèi)旋，同時(shí)向水壓較小一方橫傾。

圖9 浮筒底部變形云圖

圖10為浮筒內(nèi)部縱橫向構(gòu)件的內(nèi)側(cè)邊玻璃鋼包覆層梁?jiǎn)卧诠r2載荷下的應(yīng)力云圖。計(jì)算結(jié)果表明，應(yīng)力集中區(qū)域有兩處：一處是斷階前部的底部著水位置，為觸水的直接受壓部位；另一處為浮筒和支撐件連接部位(包括支撐劍桿與隔框的連接耳片)。

圖10 構(gòu)件內(nèi)邊包覆層玻璃鋼應(yīng)力云圖

工況2和工況1應(yīng)力集中范圍無顯著區(qū)別，僅是由于載荷的非對(duì)稱情況，出現(xiàn)應(yīng)力分布不均，單側(cè)應(yīng)力水平更高的現(xiàn)象，這也意味著極端載荷下對(duì)局部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求更高。

進(jìn)一步通過局部蒙皮玻璃鋼應(yīng)力分析危險(xiǎn)區(qū)域的受載情況，圖11為浮筒與支撐件連接位置的蒙皮玻璃鋼應(yīng)力云圖。

圖11 支撐件連接部位應(yīng)力分布

工況1下明顯可見支撐件對(duì)稱受壓，而工況2下由于浮筒底外側(cè)水壓的橫向分量導(dǎo)致其向載荷較小的內(nèi)側(cè)傾斜，最終內(nèi)側(cè)支撐桿受壓，外側(cè)受拉，且壓應(yīng)力水平約為拉應(yīng)力的4倍。

同時(shí)需注意支撐桿與蒙皮粘接拐角的應(yīng)力集中，生產(chǎn)時(shí)需要適當(dāng)?shù)倪^渡與加強(qiáng)處理。

圖12為浮筒底部蒙皮外側(cè)玻璃鋼應(yīng)力云圖，分布規(guī)律與上文構(gòu)件呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)。非對(duì)稱載荷工況2下水壓較大一側(cè)蒙皮壓應(yīng)力顯著高于另一側(cè)，同時(shí)最大拉壓應(yīng)力水平比工況1均高出40%～50%。

圖12 浮筒底部蒙皮玻璃鋼應(yīng)力云圖

圖13為縱向構(gòu)件應(yīng)力云圖，龍骨和底桁條為縱向主承力構(gòu)件。桁條起到增大各隔框之間蒙皮板格彎曲剛度的作用，由圖13可見,水位置附近的底桁條段因與蒙皮的內(nèi)凹變形相協(xié)調(diào)，呈現(xiàn)分段拉壓的現(xiàn)象。

有限元仿真計(jì)算結(jié)果表明，浮筒在著水載荷下，應(yīng)力水平“底部高于頂部，斷階高于艏艉”，同時(shí)存在兩處明顯的應(yīng)力集中區(qū)域。內(nèi)部縱向構(gòu)件如龍骨、底桁條和橫向構(gòu)件如隔框、隔板，都是位于斷階附近，靠近著水位置的區(qū)域應(yīng)力集中最為顯著。

非對(duì)稱受載情況即工況2下，單側(cè)應(yīng)力集中較工況1更為嚴(yán)酷，工況2各構(gòu)件拉壓應(yīng)力最大值均高于工況1。因此僅需給出工況2計(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性判斷，各部位夾層的玻璃鋼表皮應(yīng)力值見表5。

表5 工況2浮筒構(gòu)件玻璃鋼表皮應(yīng)力值 MPa

玻璃纖維復(fù)合材料是各向異性材料，本文采用最大應(yīng)力準(zhǔn)則校核夾層結(jié)構(gòu)中玻璃鋼表皮強(qiáng)度，最大應(yīng)力準(zhǔn)則判據(jù)表達(dá)式為

(1)

式中：σ1T、σ2T和σ1C、σ2C為玻璃鋼1、2方向拉、壓應(yīng)力；XT、YT和XC、YC為1、2方向拉伸和壓縮強(qiáng)度；S為剪切強(qiáng)度。

對(duì)比表5數(shù)據(jù)，構(gòu)件玻璃鋼主方向拉壓應(yīng)力及剪應(yīng)力均小于對(duì)應(yīng)強(qiáng)度值，滿足安全性要求。

各構(gòu)件夾芯泡沫的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、剪應(yīng)力的最大值分別為0.416、0.434和0.422 MPa，均小于對(duì)應(yīng)強(qiáng)度值，滿足安全性要求。

利用MSC.Patran/Nastran軟件進(jìn)行仿真計(jì)算驗(yàn)證了單側(cè)著水工況下玻璃鋼泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料浮筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度安全性要求。

3 局部加強(qiáng)改進(jìn)方案

此前的分析表明，單側(cè)浮筒著水尤其在兩側(cè)底面受壓不對(duì)稱情況下，浮筒和支撐件連接處、底部著水面屬于應(yīng)力集中的危險(xiǎn)區(qū)域，應(yīng)進(jìn)行局部加強(qiáng)以提高安全裕度。

在支撐桿與浮筒蒙皮接口處以圓角過渡并粘貼玻璃鋼加強(qiáng)。同時(shí)適當(dāng)加厚中央隔框的外伸耳片，耳片與支撐件嵌套膠接時(shí)，需合理控制膠接劑厚度并粘接均勻，可保證局部的連接強(qiáng)度。

對(duì)于浮筒底部斷階著水區(qū)域，蒙皮板格四邊與隔框和龍骨、桁條粘接，作用于蒙皮著水面的法向分布載荷轉(zhuǎn)化為板的彎矩和剪力再傳遞給內(nèi)部縱橫向構(gòu)件，導(dǎo)致面板中心內(nèi)凹撓度最大，外層玻璃鋼受壓內(nèi)層承拉。

為減少局部形變，可采取如下措施：①增加底桁條前體段內(nèi)玻璃鋼厚度；②除縱向桁條外，可布置橫向桁條形成十字形加筋，限制著水區(qū)夾層受壓變形；③在浮筒底部填充泡沫，見圖14，提高底面整體剛度和穩(wěn)定性，同時(shí)防止在航行中被硬物刮蹭或刺破時(shí)迅速進(jìn)水。

圖14 浮筒底部填充泡沫

4 結(jié)論

1)著水對(duì)稱載荷工況計(jì)算結(jié)果表明浮筒頂部蒙皮與支撐件連接處、底部加強(qiáng)框位范圍內(nèi)斷階夾層為應(yīng)力集中區(qū)域，設(shè)計(jì)需適當(dāng)加強(qiáng)并于制造過程中保證粘接固化工藝的穩(wěn)定性，日常使用維護(hù)及損管需對(duì)以上區(qū)域重點(diǎn)關(guān)注。

2)非對(duì)稱載荷計(jì)算工況是對(duì)嚴(yán)酷極限情況下浮筒單邊局部強(qiáng)度安全性的有效評(píng)估，計(jì)算結(jié)果表明，應(yīng)力集中區(qū)域附近的縱橫向構(gòu)件都有效參與受力但同類型構(gòu)件呈現(xiàn)不同的拉壓狀態(tài)。利用復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的特點(diǎn)給出相應(yīng)加強(qiáng)改進(jìn)方案，可將集中于小區(qū)域的壓力合理分散傳遞到浮筒內(nèi)部縱橫向強(qiáng)構(gòu)件上且結(jié)構(gòu)自重增加較少。