氣墊船用復(fù)合材料空氣導(dǎo)管結(jié)構(gòu)布局和優(yōu)化設(shè)計

方若愚，鮑文倩，裴軼群，黃如祎

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011)

0 引 言

英國是較早將氣墊船(Air-Cushion Vessel，ACV)用于國防軍事領(lǐng)域的國家，該國Griffon公司生產(chǎn)的2000TDX型ACV在船尾設(shè)置2個導(dǎo)管螺旋槳，該國Slingsby Aviation公司生產(chǎn)的SAH2200型ACV采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)[1-3]。美國氣墊登陸艇(Landing Craft Air Cushion，LCAC)的導(dǎo)管采用鋁合金與復(fù)合材料混雜設(shè)計[4-5]。美國正在研發(fā)“艦岸連接器”氣墊登陸艇(Ship to Shore Connector，SSC)，SSC為一種新型氣墊登陸艇，基本設(shè)計與LCAC相似，但性能較后者有所提升，部分采用復(fù)合材料設(shè)計替代原本的金屬材料，其導(dǎo)管為碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)[5]。

ACV通常在船尾甲板上方設(shè)置空氣螺旋槳結(jié)構(gòu)，外形主要呈圓環(huán)翼狀。ACV主要利用大功率螺旋槳在船底與水面之間形成高壓氣團，抬高船體結(jié)構(gòu)，減少航行阻力。大功率空氣螺旋槳是ACV的重要推進系統(tǒng)，可有效為ACV提供推力，使ACV得以在水上高速行駛?？諝饴菪龢Y(jié)構(gòu)由空氣導(dǎo)管和安裝在導(dǎo)管中的螺旋槳組成，其中：螺旋槳外部的空氣導(dǎo)管為空氣螺旋槳的導(dǎo)流裝置，在螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生高速氣流的同時，在空氣導(dǎo)管內(nèi)外表面形成壓力場，壓力場的軸向分量即為空氣導(dǎo)管為空氣螺旋槳結(jié)構(gòu)提供的輔助推力，可提高螺旋槳的工作效率，最高可達螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力的30%～50%[6]。

針對典型的空氣導(dǎo)管結(jié)構(gòu)，采用碳纖維復(fù)合材料與金屬材料結(jié)合的設(shè)計形式，結(jié)合有限元分析軟件，開展ACV用復(fù)合材料空氣導(dǎo)管設(shè)計方案研究。

1 空氣導(dǎo)管常規(guī)結(jié)構(gòu)特點

1.1 材料體系

國內(nèi)外的空氣導(dǎo)管通常采用鋁合金結(jié)構(gòu)，但其在質(zhì)量控制上無明顯優(yōu)勢，并在長期使用過程中，鋁合金空氣導(dǎo)管存在疲勞失效等情況。隨著材料發(fā)展和制造工藝進步，復(fù)合材料逐步在船舶行業(yè)得以應(yīng)用[7]。纖維增強復(fù)合材料具有比強度高、輕質(zhì)和耐腐蝕的特點，在滿足船用環(huán)境適應(yīng)性的前提下，纖維增強復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可有效提高導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的耐疲勞性能。自20世紀(jì)80年代以來，纖維增強復(fù)合材料已逐步應(yīng)用于艦船的上部結(jié)構(gòu)、甲板、艙壁、螺旋槳和推進軸等結(jié)構(gòu)和設(shè)備，并具有更加廣泛的應(yīng)用前景[8]。

氣墊登陸艇的主要作用為登陸運輸，船體自身質(zhì)量控制為設(shè)計關(guān)鍵，采用復(fù)合材料代替原本的鋁合金導(dǎo)管成為國內(nèi)外船用空氣導(dǎo)管的設(shè)計趨勢。

1.2 結(jié)構(gòu)特點

空氣導(dǎo)管通常由導(dǎo)管筒體、整流支臂、導(dǎo)流罩和支撐基座構(gòu)成，其整體結(jié)構(gòu)通常為由蒙皮與內(nèi)部加強結(jié)構(gòu)組成的加肋薄殼結(jié)構(gòu)。典型的導(dǎo)管結(jié)構(gòu)包含5個整流支臂，沿導(dǎo)管筒體圓周方向分布，連接位于導(dǎo)管結(jié)構(gòu)中心的導(dǎo)流罩和導(dǎo)管筒體。筒體通常為由內(nèi)外蒙皮加橫縱加強肋板組成的殼體結(jié)構(gòu)。導(dǎo)管整體結(jié)構(gòu)將螺旋槳產(chǎn)生的推力和高速氣流作用在筒體表面產(chǎn)生的推力通過基座傳遞至船體。

螺旋槳在工作時在筒體內(nèi)蒙皮上形成脈動載荷，脈動載荷峰值通常出現(xiàn)于槳盤平面附近，對導(dǎo)管內(nèi)壁的螺旋槳工作區(qū)容易造成疲勞損傷[9]。槳葉葉尖與筒體內(nèi)蒙皮之間的間距越近，產(chǎn)生高速氣流的效率越高，筒體產(chǎn)生推力的效率相應(yīng)提高[1]。該間距應(yīng)滿足導(dǎo)管螺旋槳的正常工作，因此導(dǎo)管內(nèi)蒙皮承受脈動載荷的螺旋槳工作區(qū)徑向位移為導(dǎo)管結(jié)構(gòu)設(shè)計的一項重要指標(biāo)。為保證導(dǎo)管結(jié)構(gòu)全壽命周期內(nèi)的安全可靠運行，導(dǎo)管結(jié)構(gòu)需要足夠的強度和剛度，筒體內(nèi)蒙皮螺旋槳工作區(qū)等應(yīng)具備一定的耐疲勞性能。

2 空氣導(dǎo)管布局和優(yōu)化設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

導(dǎo)管布置于船尾部甲板上方，為圓環(huán)狀翼型結(jié)構(gòu)，屬于中大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，且強度、剛度、質(zhì)量和精度等各項性能指標(biāo)要求較高。根據(jù)現(xiàn)有導(dǎo)管資料，確定導(dǎo)管整體外形，對部件壁板構(gòu)型及尺寸、內(nèi)部加強結(jié)構(gòu)構(gòu)型及尺寸等進行總體布局設(shè)計。

在導(dǎo)管總體布局設(shè)計過程中，根據(jù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)基本原理，參考風(fēng)電葉片和飛機機翼等復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和工程經(jīng)驗，進行復(fù)合材料導(dǎo)管的總體布局設(shè)計，形成初始設(shè)計方案，并建立等效分析模型。根據(jù)不同的載荷工況，對結(jié)構(gòu)的初始設(shè)計方案進行校核分析和優(yōu)化迭代。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)采用許用應(yīng)變設(shè)計，考慮性能、失效模式、耐久性、制造工藝和質(zhì)量控制等方面的因素，保證在設(shè)計載荷下具有足夠的強度和剛度，安全裕度應(yīng)大于零。在設(shè)計過程中應(yīng)盡可能采用成熟的或已有一定經(jīng)驗的結(jié)構(gòu)形式，盡可能利用共固化或二次固化、二次膠結(jié)工藝，將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計為整體件。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有設(shè)計和制造一體化的特點，在設(shè)計過程中必須考慮工藝可行性，在方案設(shè)計階段需要確定各構(gòu)件的制造工藝，并合理設(shè)計工藝分離面。所選成型工藝方法應(yīng)保證結(jié)構(gòu)設(shè)計指標(biāo)，配合精度滿足裝配要求、滿足設(shè)備設(shè)施條件等。

2.2 鋪層設(shè)計和優(yōu)化

在復(fù)合材料鋪層設(shè)計中，鋪層方向通常采用0°、90°、45°和-45°，根據(jù)結(jié)構(gòu)強度和剛度要求確定鋪層層數(shù)和鋪層順序，其中45°/-45°鋪層通常成對出現(xiàn)。層合板的鋪層順序應(yīng)盡可能以中面對稱分布，避免在固化過程中由彎曲、拉伸和扭轉(zhuǎn)等引起的翹曲變形等問題[10]。

鋪層優(yōu)化主要利用復(fù)合材料鋪層優(yōu)化軟件，對初始設(shè)計中的復(fù)合材料層合板厚度和各方向鋪層厚度進行優(yōu)化，得到更優(yōu)的鋪層比，對整體結(jié)構(gòu)達到減重的目的，為鋪層設(shè)計提供重要依據(jù)。利用OptiStruct軟件進行復(fù)合材料鋪層優(yōu)化求解，按照初步設(shè)計定義初始鋪層，優(yōu)化變量為單層厚度和鋪層順序，約束條件為初始計算結(jié)果各工況的位移。

OptiStruct軟件采用局部逼近的方法求解優(yōu)化問題，其優(yōu)化計算基本方程[11]如下：

有限元方程為

[K]·{U}={P}

(1)

式中：[K]為剛度矩陣；{U}為單元節(jié)點位移向量；{P}為單元節(jié)點載荷向量。

兩邊對設(shè)計變量X求偏導(dǎo)數(shù)得：

(2)

(3)

(4)

約束函數(shù)g通?？擅枋鰹槲灰葡蛄縐的函數(shù)：

g={Q}T·{U}

(5)

因此結(jié)構(gòu)響應(yīng)的靈敏度為

(6)

利用靈敏度信息對結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行泰勒展開，得到顯式近似模型，其線性近似方程為

(7)

3 空氣導(dǎo)管結(jié)構(gòu)構(gòu)型

3.1 導(dǎo)管筒體

導(dǎo)管筒體由內(nèi)壁、外壁、內(nèi)部縱橫支撐肋板和前后緣組件構(gòu)成。筒體內(nèi)壁沿周向為整體式回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，結(jié)合國內(nèi)碳纖維復(fù)合材料制品成型工藝技術(shù)成熟度和可靠性，采用整體一次成型加工工藝。由于筒體內(nèi)壁需要承受螺旋槳產(chǎn)生的脈動吸力，且內(nèi)壁螺旋槳工作區(qū)具有嚴(yán)格的變形限制，因此內(nèi)壁采用泡沫夾芯結(jié)構(gòu)，芯材選用聚甲基丙烯酰亞胺(polymethacrylimide，PMI)泡沫。筒體外壁為層壓板結(jié)構(gòu)，直徑較大，且考慮內(nèi)部加強肋板粘接工藝特點，外壁采用分片制作和總裝合龍的成型工藝[12]。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計，最終筒體外壁直接與基座連接，沿圓周周向分布，在固定基座上方等分為4份，即外壁①/②/③/④。導(dǎo)管筒體結(jié)構(gòu)如圖1所示。導(dǎo)管內(nèi)外壁通過前后緣組件膠結(jié)裝配連接，導(dǎo)管筒體前后緣組件如圖2所示。

圖1 導(dǎo)管筒體結(jié)構(gòu)示例

圖2 導(dǎo)管筒體前后緣組件示例

導(dǎo)管筒體內(nèi)部空間較大，因此設(shè)置整體縱向和環(huán)向加強肋板，將筒體片體內(nèi)壁和外壁分割形成板架結(jié)構(gòu)，以提升筒體片體結(jié)構(gòu)的強度和剛度?？v向加強肋板為翼型外形，與筒體翼型契合。基于筒體不同位置強度和剛度要求的差異性，加強肋板的材料和厚度有所不同。筒體縱向加強肋板布置如圖3所示，其中：(a)、(b)和(c)肋板為復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)；(d)和(e)肋板為鋁合金結(jié)構(gòu)；5號、6號、10號和11號肋板進行加厚處理。

圖3 筒體縱向加強肋板布置

筒體內(nèi)部設(shè)置3道環(huán)向加強肋板，如圖4所示，其中：(1)號和(2)號環(huán)向加強肋板分別位于筒體與支臂連接處的兩端；(3)號環(huán)向加強肋板位于筒體內(nèi)壁螺旋槳工作區(qū)前端，有助于螺旋槳工作區(qū)的變形控制，可有效應(yīng)對由螺旋槳激勵產(chǎn)生的脈動吸力所引起的變形和疲勞問題?？v向和環(huán)向加強肋板均以翻邊粘接形式與筒體內(nèi)外壁連接，其中：縱向隔板為連續(xù)構(gòu)件；環(huán)向隔板分段膠結(jié)連接于縱向肋板上。考慮質(zhì)量控制、施工工藝和維修檢查，在縱向和環(huán)向加強肋板上設(shè)置減輕孔，并在減輕孔開口處設(shè)置翻邊結(jié)構(gòu)，減輕孔開孔平均寬度不超過隔板整體寬度60%。

圖4 筒體內(nèi)部環(huán)向加強肋板布置

3.2 整流支臂

整流支臂共5根，沿導(dǎo)管筒體周向均布，外型為扭轉(zhuǎn)翼型結(jié)構(gòu)，如圖5所示。除外部氣動推力外，整流支臂需要承受來自筒體和導(dǎo)流罩的拉壓應(yīng)力，因此支臂壁板與其內(nèi)壁加強筋均采用碳纖維復(fù)合材料層合板形式。為增加支臂結(jié)構(gòu)的強度和剛度，其內(nèi)部設(shè)置2個C字形縱向加強筋和1個V字形帶板，連接端設(shè)置翻邊，用于與導(dǎo)流罩和導(dǎo)管筒體的連接，如圖6所示。導(dǎo)流支臂壁板由前后緣處分縫分塊成型，后期與成型的縱向加強筋和V字形帶板采用膠結(jié)連接。導(dǎo)流支臂與導(dǎo)流罩和導(dǎo)管筒體采用螺栓連接。

圖5 整流支臂分布

圖6 支臂連接翻邊示例

3.3 固定基座

固定基座位于導(dǎo)管下端，與筒體外壁和甲板安裝平臺連接，起固定和支撐筒體的作用，并將螺旋槳和導(dǎo)管筒體產(chǎn)生的輔助推力傳遞至船體。經(jīng)反復(fù)優(yōu)化設(shè)計，最終空氣導(dǎo)管固定基座采用鋁合金結(jié)構(gòu)形式，由7個鋁合金機加框結(jié)構(gòu)組成，并通過螺栓連接裝配形成框架式結(jié)構(gòu)，如圖7所示?；鶛C加框結(jié)構(gòu)為金屬板與加強筋結(jié)合的形式，其中：①號框和⑤號框分別與圖5的整流支臂D和E通過筒體縱向加強肋板連接，設(shè)置10道加強筋；⑥號框和⑦號框分別與筒體前后緣連接，設(shè)置25道加強筋；②號框、③號框和④號框分別與圖3的筒體的7號、8號和9號非支臂肋板連接，設(shè)置10道加強筋。

圖7 固定基座

4 空氣導(dǎo)管等效分析模型

4.1 有限元分析模型

導(dǎo)管的等效分析采用通用有限元軟件Abaqus進行求解，導(dǎo)管結(jié)構(gòu)有限元模型如圖8所示，其中：導(dǎo)管整體采用殼單元建模，機械連接部位的螺栓使用rbe3+bar單元模擬，膠結(jié)連接部位的二次膠結(jié)位置采用rbe3+solid單元模擬。導(dǎo)管結(jié)構(gòu)有限元模型的網(wǎng)格總數(shù)為778 147個。

圖8 導(dǎo)管結(jié)構(gòu)有限元模型示例

導(dǎo)管整體結(jié)構(gòu)主要采用碳纖維復(fù)合材料層合板。綜合考慮結(jié)構(gòu)的強度需求，在局部加強位置采用鋁合金和鈦合金材料；在剛度要求較高位置采用復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)，夾芯材料選用PMI泡沫?？諝鈱?dǎo)管材料如表1所示。

表1 空氣導(dǎo)管材料 g·cm-3

4.2 載荷條件

除ACV正常運行時的載荷和過載外，空氣導(dǎo)管結(jié)構(gòu)通常需要承受在螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)時其內(nèi)壁相應(yīng)區(qū)域出現(xiàn)的脈動載荷等，并需要考慮極限運行過載引起的影響?？諝鈱?dǎo)管載荷條件如表2所示，在運行過程中主要受到重力加速度、螺旋槳推力、筒體輔助推力、脈動吸力和極限運行過載等5個載荷作用。復(fù)合材料空氣導(dǎo)管等效分析模型按照載荷條件分為3個計算工況。3個工況僅極限運行過載不同，其他相同。工況1、工況2和工況3分別受到x方向、y方向和z方向的極限運行過載。

表2 空氣導(dǎo)管載荷條件

4.3 計算結(jié)果

不同工況條件下的螺旋槳工作區(qū)內(nèi)壁徑向位移云圖如圖9所示?？諝鈱?dǎo)管等效分析模型載荷工況計算結(jié)果如表3所示。由表3可知：在所有工況條件下，導(dǎo)管筒體螺旋槳工作區(qū)內(nèi)壁徑向最大位移均小于5.000 mm，導(dǎo)管復(fù)合材料最大徑向應(yīng)變和最大緯向應(yīng)變均小于0.250%，導(dǎo)管復(fù)合材料最大剪切應(yīng)變均小于0.450%，鋁合金材料最大等效應(yīng)力均小于其屈服強度265 MPa。

圖9 不同工況條件下的螺旋槳工作區(qū)內(nèi)壁徑向位移云圖

表3 空氣導(dǎo)管等效分析模型載荷工況計算結(jié)果

5 結(jié) 語

提供一種可行的復(fù)合材料空氣導(dǎo)管布局設(shè)計，并通過有限元軟件在理論層面驗證其可行性。在導(dǎo)管布局設(shè)計方案中，在極限過載工況條件下導(dǎo)管結(jié)構(gòu)可保持正常運行，導(dǎo)管筒體內(nèi)壁螺旋槳工作區(qū)徑向最大位移均小于5.000 mm，滿足導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的強度和剛度要求。

在導(dǎo)管結(jié)構(gòu)中固定基座貢獻導(dǎo)管整體較大部分的剛度，因此在設(shè)計計算過程中，基座采用鋁合金材料。在后續(xù)研究工作中，將對導(dǎo)管結(jié)構(gòu)布局方案進行減重優(yōu)化設(shè)計，以滿足ACV空氣導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的減重指標(biāo)。