氣墊船復(fù)合材料導(dǎo)管支臂制備工藝與性能試驗(yàn)

陳鵬宇，陳東賓，嚴(yán)曉娟

(1.海軍裝備部駐上海地區(qū)第八軍事代表室，上海 200011；2.海軍裝備部駐福州地區(qū)軍事代表室，福建 福州 350000；3.上海船舶工藝研究所，上海 200032)

0 引 言

氣墊船(Air-Cushion Vessel,ACV)是一種重要的兩棲船舶，在工作時(shí)通過在ACV底部與水面之間形成高氣壓氣流，產(chǎn)生推力將船體推離水面，降低ACV在水上航行時(shí)的阻力，以節(jié)省動力并可更加高速行駛。隨著新材料的發(fā)展及對ACV功能和尺寸要求的不斷提高，復(fù)合材料在ACV上逐漸得到應(yīng)用。

美國海軍的氣墊登陸艇(Landing Craft Air Cushion，LCAC)為鋁與復(fù)合材料混合型，其螺旋槳槳葉為碳纖維和玻璃纖維的混合纖維復(fù)合材料。以LCAC為基礎(chǔ)，美國海軍正在研制新一代艦載突擊“艦岸連接器”氣墊登陸艇(Ship to Shore Connector，SSC)，其推進(jìn)結(jié)構(gòu)均采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)[1]。國內(nèi)ACV研究設(shè)計(jì)包括高速兩棲ACV、表面效應(yīng)船(側(cè)壁式ACV)(Surface Effect Ship，SES)、氣墊駁船(Hoverbarge)及氣墊吉普(Air Cushion Jeep)等[2]多種ACV。國內(nèi)ACV主要采用的材料為鋁合金和玻璃纖維復(fù)合材料，其他先進(jìn)復(fù)合材料使用較少。

ACV尺寸不斷增大，為提高航速，輕量化設(shè)計(jì)成為必然。導(dǎo)管作為產(chǎn)生附加推力的重要裝置，其選材與ACV尺寸及使用環(huán)境關(guān)系較大[3]。綜合多種因素，大型ACV導(dǎo)管組合結(jié)構(gòu)采用復(fù)合材料優(yōu)勢較明顯。支臂作為導(dǎo)管結(jié)構(gòu)中的承力和影響空氣流場的重要構(gòu)件，要求表面性能及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性達(dá)到所需要的水平，因此對其成型工藝要求較高。支臂外形為導(dǎo)流翼型結(jié)構(gòu)件，與支臂受載狀況和外形類似的典型結(jié)構(gòu)件為風(fēng)電葉片和飛機(jī)機(jī)翼。

復(fù)合材料風(fēng)電葉片較常用的制造工藝流程為分塊組裝成型。目前，復(fù)合材料葉片結(jié)構(gòu)采用的制造工藝為樹脂傳遞模塑(Resin Transfer Molding，RTM)工藝和真空導(dǎo)入模塑工藝(Vacuum Infusion Molding Process，VIMP)[4]等。VIMP操作簡單且制品性能好，由于其單面剛性模具和柔性真空袋膜的尺寸調(diào)整相對靈活，其制品尺寸不受限制，簡單的操作、環(huán)保的生產(chǎn)鏈及較低的成本使VIMP特別適合整體成型大尺寸復(fù)合材料構(gòu)件。

1 導(dǎo)管支臂工藝分析基礎(chǔ)

導(dǎo)管結(jié)構(gòu)如圖1所示。支臂作為導(dǎo)管內(nèi)部重要的零部件，不僅起到支撐整個(gè)導(dǎo)管筒體的作用，而且可通過選擇合適的工程材料和結(jié)構(gòu)形式提高整個(gè)ACV導(dǎo)管的剛度和強(qiáng)度。ACV導(dǎo)管支臂在外形設(shè)計(jì)時(shí)采用仿生學(xué)的翼型外形，可在很大程度上起到引流作用，減小阻力，增加局部推力。導(dǎo)管支臂結(jié)構(gòu)的型值精度對空氣流場具有一定影響，通常采用專用模具進(jìn)行制備。在模具制備過程中，不可避免會產(chǎn)生縮松、縮孔和裂紋等缺陷情況。通過設(shè)計(jì)合理的模具制備方案可提高導(dǎo)管支臂的表面質(zhì)量。

圖1 導(dǎo)管結(jié)構(gòu)示例

優(yōu)異的表面質(zhì)量可滿足導(dǎo)管支臂結(jié)構(gòu)在使用過程中的性能要求[5-6]。應(yīng)綜合考慮在制備支臂模具時(shí)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的充模流動性、零件結(jié)構(gòu)大小、固化定型方式及生產(chǎn)率等多方面因素對導(dǎo)管支臂表面質(zhì)量的影響。在模具加工時(shí)應(yīng)控制材料充模流速和導(dǎo)管支臂成型持續(xù)時(shí)間，這樣可最大化控制和提高制件的表面加工質(zhì)量，使其更易固化成型。溫度控制對導(dǎo)管支臂表面加工質(zhì)量的影響應(yīng)重點(diǎn)考慮，溫度過高不僅會直接損壞加工制備模具，而且可能會直接破壞材料內(nèi)部分子基本結(jié)構(gòu)，造成材料分解，在很大程度上不利于導(dǎo)管支臂制備成型。

ACV導(dǎo)管結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作時(shí)情況復(fù)雜，且流體對5個(gè)導(dǎo)管支臂的沖擊載荷不一致，受載情況難以一概而論。在模具加工制備時(shí)應(yīng)考慮實(shí)際加工工藝水平和加工成本限制，因此需要根據(jù)實(shí)際工況和加工工藝水平對ACV導(dǎo)管支臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。支臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題主要是在撓度和強(qiáng)度雙約束條件下求質(zhì)量最小值的單目標(biāo)約束問題[7]。但在材料組合方案優(yōu)化系統(tǒng)中，優(yōu)化變量包括材料、層厚和鋪層角度，變量之間相互影響，相關(guān)性較強(qiáng)，在很大程度上增加求解難度。在對材料組合方案進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，假設(shè)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，則優(yōu)化問題變?yōu)榍髶隙群唾|(zhì)量最小值的雙目標(biāo)問題。撓度和質(zhì)量這2個(gè)優(yōu)化目標(biāo)相互競爭，各設(shè)計(jì)變量匹配組成解集，形成Pareto最優(yōu)值前沿。Pareto最優(yōu)值前沿顯示材料組合方案當(dāng)前可達(dá)到的最優(yōu)水平，通過圖表繪制對比前沿位置，實(shí)現(xiàn)材料組合方案的最優(yōu)化。

由材料組合方案Pareto最優(yōu)值前沿對比結(jié)果可知：全玻璃纖維-夾芯、金屬-纖維-夾芯混合、混合纖維-夾芯和全碳纖維-夾芯等4種組合方案均可滿足設(shè)計(jì)要求。全碳纖維-夾芯加工制備成型質(zhì)量最佳，但支臂結(jié)構(gòu)若全部采用碳纖維復(fù)合材料，加工成本過高，因此需要綜合考慮成本及工藝的難易程度等因素確定導(dǎo)管支臂結(jié)構(gòu)材料方案。

2 導(dǎo)管支臂結(jié)構(gòu)制備工藝

2.1 制備材料設(shè)計(jì)

綜合考慮制備成本、使用可靠性及加工制造工藝的難易程度，將非主承載導(dǎo)管支臂表面蒙皮和橫截面加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)材料換為玻璃纖維，而主承載部分即前后緣部位的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)材料仍采用碳纖維復(fù)合材料[8]。支臂結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 導(dǎo)管支臂結(jié)構(gòu)示例

根據(jù)實(shí)際工況，將導(dǎo)管支臂材料組合方案調(diào)整為混合纖維環(huán)氧樹脂-泡沫夾芯材料：前后緣部位加強(qiáng)筋材料仍采用碳纖維復(fù)合材料T300；內(nèi)部填充部分采用聚氯乙烯(PVC)泡沫材料；截面加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)材料換為抗剪切變形性能更好的E-玻璃纖維雙軸布/760E環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其主要性能參數(shù)如表1所示。支臂制備原材料如表2所示。

表1 E-玻璃纖維雙軸布/760E環(huán)氧樹脂復(fù)合材料性能參數(shù)

表2 支臂制備原材料

2.2 支臂結(jié)構(gòu)制造工藝

ACV導(dǎo)管支臂結(jié)構(gòu)外形屬于大尺寸單面翼型結(jié)構(gòu)件，作為導(dǎo)管的主承力構(gòu)件，在加工制備時(shí)對其表面質(zhì)量和內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求非常嚴(yán)格。將混合纖維-泡沫夾芯作為導(dǎo)管支臂內(nèi)部結(jié)構(gòu)的材料方案，對支臂模具成型工藝提出較高要求。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及纖維復(fù)合材料加工成型的工藝特點(diǎn)，選擇VIMP制備混合纖維-泡沫夾芯復(fù)合材料導(dǎo)管支臂結(jié)構(gòu)件。VIMP操作簡單方便、制備過程綠色環(huán)保、制造成本相對較低，目前已被國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于制造天線罩殼、小艇艇體及風(fēng)電葉片等尺度較大的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件整體成型[9]。

VIMP通過在單面剛性結(jié)構(gòu)的模具型腔中注入泡沫夾心混合纖維增強(qiáng)(纖維+泡沫)材料，并使用真空袋膜對其進(jìn)行密封處理以達(dá)到真空狀態(tài)，利用真空加壓使樹脂膠液加速流動，達(dá)到樹脂膠液滲透進(jìn)入纖維織物的目的，從而更有利于泡沫夾心纖維增強(qiáng)復(fù)合材料固化成型，獲得復(fù)合材料導(dǎo)管支臂構(gòu)件。由于單面剛性結(jié)構(gòu)的模具型腔和真空袋膜的相對間隙尺寸可靈活調(diào)整，因此采用VIMP原理制備導(dǎo)管支臂樣件不會受到結(jié)構(gòu)尺寸約束。

考慮支臂結(jié)構(gòu)制造的經(jīng)濟(jì)性和可操作性，選擇整體成型模式進(jìn)行制備。支臂制備工藝流程如圖3所示。導(dǎo)管支臂內(nèi)部芯材采用PVC材料。對于導(dǎo)管支臂中間的截面部位加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)和以上下蒙皮構(gòu)成的相互聯(lián)通區(qū)域，利用真空加壓方式將樹脂膠液注入模具型腔內(nèi)使其整體固化和脫模。在將產(chǎn)品冷卻處理至室溫時(shí)，通過預(yù)先留存的氣孔，外部進(jìn)行加壓處理使導(dǎo)管支臂樣件與模具型腔脫落分離。

圖3 支臂制備工藝流程

3 導(dǎo)管支臂結(jié)構(gòu)力學(xué)性能試驗(yàn)

通過應(yīng)變和位移傳感器監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和位移數(shù)據(jù)，驗(yàn)證支臂力學(xué)性能和支臂與相連部件的連接可靠性[10-11]。

3.1 試驗(yàn)工裝及加載設(shè)備

支臂組合結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度試驗(yàn)安裝固定如圖4所示。組合結(jié)構(gòu)導(dǎo)流罩一端水平放置在工作平臺，其下端大法蘭通過螺栓與地槽連接。與支臂連接的片體結(jié)構(gòu)，通過連接工裝與作動缸連接，施加載荷以模擬支臂組合結(jié)構(gòu)實(shí)際受載狀況。在門架上安裝滑輪組，將試驗(yàn)結(jié)構(gòu)固定工裝，對試驗(yàn)結(jié)構(gòu)質(zhì)量進(jìn)行自動平衡。根據(jù)支臂組合結(jié)構(gòu)試驗(yàn)要求，選用200 kN液壓作動缸和200 kN載荷傳感器各1套進(jìn)行載荷施加和采集。

圖4 支臂組合結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度試驗(yàn)安裝固定

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

在支臂組合結(jié)構(gòu)上選擇多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，鋪貼應(yīng)變花和位移計(jì)，采集相關(guān)點(diǎn)的應(yīng)變和位移數(shù)據(jù)。支臂數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)變片布置[12]如圖5所示。

圖5 支臂數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)變片布置

應(yīng)變花監(jiān)測0°、45°和90°應(yīng)變，需要將3個(gè)方向的應(yīng)變按式(1)和式(2)轉(zhuǎn)化為最大和最小主應(yīng)變及主應(yīng)變夾角進(jìn)行應(yīng)變數(shù)據(jù)分析。

主應(yīng)變計(jì)算公式為

(1)

式中：εmax和εmin分別為最大和最小主應(yīng)變；ε0、ε45和ε90分別為0°、45°和90°方向應(yīng)變。

主應(yīng)變夾角計(jì)算公式為

(2)

式中：α0為主應(yīng)變夾角。

三向應(yīng)變花結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 三向應(yīng)變花結(jié)構(gòu)示例

3.3 導(dǎo)管支臂測試結(jié)果分析

支臂結(jié)構(gòu)應(yīng)變和位移數(shù)據(jù)試驗(yàn)結(jié)果如表3和表4所示。試驗(yàn)結(jié)果具有較高的重復(fù)性，表明試驗(yàn)工況的支臂結(jié)構(gòu)及支臂連接敏感位置變形在彈性范圍內(nèi)，基本沒有永久性變形。通過所有應(yīng)變花鋪貼位置處的應(yīng)變結(jié)果計(jì)算獲得的主應(yīng)變均小于許用應(yīng)變設(shè)計(jì)要求。在試驗(yàn)過程中及結(jié)束后，支臂結(jié)構(gòu)、片體與支臂、支臂與導(dǎo)流罩連接部位均未發(fā)生明顯可視的斷裂、結(jié)構(gòu)分層和脫黏等，制備支臂樣件的強(qiáng)度和剛度滿足使用要求。

表3 支臂結(jié)構(gòu)應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果

表4 支臂結(jié)構(gòu)位移試驗(yàn)結(jié)果 mm

4 結(jié) 語

復(fù)合材料導(dǎo)管是現(xiàn)代ACV技術(shù)的發(fā)展趨勢，支臂結(jié)構(gòu)對導(dǎo)管的強(qiáng)度和推進(jìn)效率具有重要影響?；趪鴥?nèi)外成型技術(shù)發(fā)展，采用VIMP制造導(dǎo)管支臂。通過對導(dǎo)管支臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料進(jìn)行分析，對制備工藝及力學(xué)性能試驗(yàn)進(jìn)行研究，可為實(shí)現(xiàn)ACV導(dǎo)管的輕量化和低成本制造及良好的力學(xué)性能打下更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。