復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)拖體尾部強度計算與分析*

易學(xué)平

（中國船舶集團有限公司第七一〇研究所 宜昌 443003）

1 引言

水下拖體作為搭載水聲探測裝置的平臺，已廣泛應(yīng)用于海洋監(jiān)測和水下探測等諸多領(lǐng)域并發(fā)揮著越來越重要的作用［1］。拖體尾部設(shè)計對于整個拖體至關(guān)重要，不僅決定了探測設(shè)備的工作能力和狀態(tài)，而且對拖體的姿態(tài)穩(wěn)定性有重要的影響，拖體尾部既要具備足夠的強度和剛度，保證拖體尾部在工作過程中不損壞和拖體變形不影響拖曳姿態(tài)穩(wěn)定性，尤其是在回收時受到波浪抨擊時拖體尾部不損壞，另外還要求拖體尾部在空氣中重量盡量輕，同時在水中提供足夠的凈浮力，保證整個拖體在水中姿態(tài)水平。為了解決拖體尾部上述問題，最簡單又有效的方法的采用復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)具有比重小，比強度高，比模量大和耐腐蝕等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于國防、航空、船舶以及工業(yè)建設(shè)中，在船舶行業(yè)中掃雷艇，游艇和水下產(chǎn)品中的許多構(gòu)件得到了廣泛應(yīng)用，該種結(jié)構(gòu)可以達到在保證強度和剛度條件下減輕重量的目的［2～3］。

2 拖體尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計

拖體尾部設(shè)計對于整個拖體設(shè)計至關(guān)重要，本拖體采用“田”字型拖體外型結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)型式在相同的尺寸外形情況下拖體恢復(fù)力矩最大，有利于保持拖體姿態(tài)穩(wěn)定性。常用的“十字形”，“十字形帶導(dǎo)管”，“X字形”，“X字形帶導(dǎo)管”，“米字形”，“米字形帶導(dǎo)管”和“田字形”尾部在低速下，相同俯仰角度時產(chǎn)生的俯仰回復(fù)力矩，“田字形”尾部拖體較其他外形尾部拖體在相同航速及俯仰角下具備更強的抵御俯仰變化能力，所以本拖體采用“田”字型拖體尾部外型。拖體拖曳點位置一般在1/4～1/3 的位置，為了保證拖體在水中姿態(tài)水平，設(shè)計時要求拖體尾部在水中重量盡量輕，同時在水中能夠提供足夠的凈浮力［4］。

拖體尾部主要由尾部加強環(huán)，尾部殼體，尾部外框架，上垂直尾翼，下垂直尾翼和中水平尾翼等幾部分組成，如圖1所示為拖體尾部結(jié)構(gòu)示意圖。尾部殼體和尾部外框架之間通過玻璃鋼尾翼（包括上垂直尾翼，下垂直尾翼和中水平尾翼）連接成一體，連接方式為螺釘連接，螺釘安裝到位后通過玻璃鋼糊制成一體，即保證了連接的強度要求，又保證水下設(shè)備的形位公差和位置公差要求，還保證拖體尾部整體外觀。尾部殼體，尾部外框架和水平舵板采用復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，內(nèi)芯為浮力材料作為夾芯層，為設(shè)備提供浮力，外面包裹玻璃鋼作為蒙皮，保證整體強度和剛度，如圖2所示為復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)示意圖，尾部加強環(huán)為拖體中段安裝接口，通過螺釘與中段連接成一體，與尾部殼體通過玻璃鋼糊制成一體，保證尾部加強環(huán)的連接強度［5］。尾部外框架的尾端設(shè)計水平舵板，水平舵板與尾部框架中預(yù)埋安裝金屬板，兩者之間通過活絡(luò)接頭和滑動軸承連接，上下尾舵板通過拉桿連接，通過舵板驅(qū)動裝置實現(xiàn)上下水平尾舵板的角度同步調(diào)整，從而調(diào)整拖體在工作過程中的拖體姿態(tài)［6］，如圖3所示為拖體尾舵板連接結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 拖體尾部結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 拖體水平尾舵板連接結(jié)構(gòu)示意圖

3 載荷工況說明

拖體工作過程中主要有船尾起吊布放、拖曳工作和船尾起吊回收等幾個過程，在起吊回收過程中，由于拖體內(nèi)部裹挾部分水分，導(dǎo)致出水重量遠大于空氣中重量，另外拖體出水過程中，拖體受到波浪抨擊作用，所以拖體回收過程中是拖體最惡劣工況，下面以回收過程中載荷作為設(shè)計輸入進行強度校核［7］。

拖體需在5 級海況下具備收放條件，取5 級海況下限波高2.1m，波長30m進行抨擊載荷計算。設(shè)5 級海況下母船捕捉拖體后上下往復(fù)升沉運動如下式：

Z=Asin(2πt/T)

其中，A為運動幅值，T為周期。

擬分別計算拖體初始位置為拖曳點位于水線，拖曳點距離水線以上半波高，拖曳點距離水線以下半波高，在5 級海況下以運動幅值1.5m，周期5s 做升沉運動時受水面的抨擊載荷。基于STAR-CCM對拖體的抨擊載荷進行仿真計算，并對拖體尾部各個部分的抨擊載荷進行監(jiān)測，各監(jiān)測區(qū)域抨擊受力極值匯總見表1。

表1 拖體尾部載荷工況表

4 拖體尾部結(jié)構(gòu)強度計算

4.1 簡化計算模型

對拖體尾部整體結(jié)構(gòu)和水平尾舵板進行強度校核，為減少計算量，降低由于網(wǎng)格奇異等引起的計算報錯，對拖體尾部計算模型進行相應(yīng)簡化，填平螺紋孔、去掉對強度無影響的尾殼內(nèi)部浮力材料、尾部球冠、舵機驅(qū)動模塊等，拖體尾部簡化模型如圖4所示。

圖4 拖體尾部簡化計算模型

4.2 材料力學(xué)性能

拖體尾部使用材料主要有316L 不銹鋼，沉淀硬化不銹鋼（05Cr17Ni4Cu4Nb），浮力材料（GFC-400）和3201 高強度玻璃鋼，所用材料力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

4.3 復(fù)合材料強度失效準則

在復(fù)合材料強度分析時，需要適當(dāng)?shù)膹姸葴蕜t才能判斷材料是否出現(xiàn)失效，單層板是復(fù)合材料層合板的基本單元，層合板的失效破壞與單層板的失效破壞有著密切的關(guān)系［8］。

基于單層研究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強度時，需首先了解單層的破壞形式、破壞依據(jù)和極限強度，工程上使用的纖維增強復(fù)合材料單層薄板，可以看成是處于平面應(yīng)力狀態(tài)下的正交各向異性板［9］。

復(fù)合材料的強度理論問題是一個理論性和應(yīng)用性很強的研究課題，經(jīng)過多年的發(fā)展，目前已經(jīng)提出了一些有效的強度失效準則。在本文中，與均質(zhì)各向同性的材料的最大應(yīng)力準則一樣，最大應(yīng)力準則認為，不管單層板處于如何復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)單層板的材料主軸方向上任何一個應(yīng)力分量達到其極限應(yīng)力時，單層板失去承載能力，具體表達式如下所示［10］。

表2 材料力學(xué)性能表

4.4 水平尾舵板強度計算

水平尾舵板采用復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，內(nèi)芯夾層結(jié)構(gòu)采用GFC-400 浮力材料，蒙皮采用3201 高強度玻璃鋼，活絡(luò)接頭采用沉淀硬化不銹鋼材料（05Cr17Ni4Cu4Nb），拉桿座和金屬預(yù)埋件采用不銹鋼316L 材料，工作過程中在舵板驅(qū)動裝置作用下水平舵板繞活絡(luò)接頭轉(zhuǎn)動。施加載荷：按照表1的結(jié)果取最大值2555N。邊界條件：約束活絡(luò)接頭圓柱面X和Y方向位移，釋放Z向位移，約束拉桿座圓柱面的三個方向位移。

提取玻璃鋼蒙皮部分各方向應(yīng)力云圖，以及夾芯GFC-400 浮力材料的Mises 應(yīng)力云圖，提取金屬預(yù)埋件，活絡(luò)接頭，拉桿座的Mises 應(yīng)力云圖，結(jié)果如圖5所示，根據(jù)復(fù)合材料最大應(yīng)力準則以及各向同性材料屈服極限，水平尾舵板各部件結(jié)構(gòu)安全系數(shù)匯總?cè)绫?。

圖5 水平尾舵板應(yīng)力云圖各部件應(yīng)力云圖

考慮到計算載荷是全部采用各個結(jié)構(gòu)部分的極值，實際情況各位置極值并不會同時發(fā)生，同時參考《潛水系統(tǒng)與潛水器建造與入級規(guī)范》，金屬材料的安全系數(shù)取1.15，彈性范圍內(nèi)鋼材強度校核的當(dāng)量許用應(yīng)力值取1.1［σ］，剪切應(yīng)力許用值取0.58［σ］，其中［σ］=σ0.2/1.15。玻璃鋼蒙皮的許用應(yīng)力取拉伸強度的1/3，剪切強度取實測值［11］。將水平尾舵板的強度計算結(jié)果匯總，見表3所列，如表3所示，水平尾舵板各零件的Von-Mises應(yīng)力/剪應(yīng)力均未超過材料的許用應(yīng)力，從表中可知，各部件最小安全系數(shù)均在5.5 以上，結(jié)構(gòu)安全，滿足強度要求［12～13］。

表3 水平尾舵板極大值工況下結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

4.5 尾部框架強度計算

尾部框架主要由尾部殼體和外框架組成，尾部殼體和外框架均采用復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，內(nèi)芯采用GFC-400 浮力材料，外面包裹3201 高強度玻璃鋼，與拖體中段連接的尾部加強環(huán)、殼體加強筋、尾圈以及所有金屬預(yù)埋件均為316L 不銹鋼材料，與尾殼和外框架連接的十字尾翼（上垂直翼、下垂直翼和中水平翼）采用3201 高強度玻璃鋼材料。為減少計算量，將上下水平尾舵板去除，載荷施加到兩端支撐的預(yù)埋件上。計算工況按極大值和極小值兩種分別計算，兩種計算工況的網(wǎng)格模型一致。施加載荷：極大值工況和極小值工況載荷，按照表1計算結(jié)果選取。邊界條件：約束尾部加強環(huán)環(huán)面的三個方向位移。

提取極大值工況下十字翼部分（玻璃鋼）、尾殼蒙皮部分（玻璃鋼）、尾部框架蒙皮部分（玻璃鋼）各方向應(yīng)力云圖，提取尾部框架夾芯浮力材料Mises應(yīng)力云圖，計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 極大值工況下尾部框架各部件應(yīng)力圖

根據(jù)復(fù)合材料最大應(yīng)力準則以及各向同性材料屈服極限，尾部框架各部件結(jié)構(gòu)安全系數(shù)匯總?cè)绫?。從表中可知，極大值工況和極小值工況下尾部外框架各零部件（十字翼、尾殼、玻璃鋼蒙皮和框架夾芯泡沫）的Von-Mises應(yīng)力/剪應(yīng)力均未超過材料的許用應(yīng)力，各部件最小安全系數(shù)均在4.5以上，結(jié)構(gòu)安全，能夠滿足強度要求。

表4 尾部框架在極大值/極小值工況下結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

5 結(jié)語

某拖體尾部采用復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，尾部殼體和尾部外框架均采用浮力材料內(nèi)芯，外面包裹玻璃鋼材料，尾部殼體和外框架采用玻璃鋼十字翼（上垂直翼，下垂直翼和中水平翼）連接，該種設(shè)計拖體尾部在空氣中重量輕，可以提高在水中凈浮力，另外拖體尾部采用一體化成型，整體強度高，外觀美觀。通過有限元軟件分別計算水平舵板和尾部框架在回收時受抨擊載荷作用下的強度分析，尾部框架在極大值工況以及極小值工況下分別進行了強度校核，根據(jù)復(fù)合材料最大應(yīng)力準則，判斷結(jié)構(gòu)安全。通過強度校核，水平舵板和尾部框架均滿足強度要求，該產(chǎn)品在實際使用過程中，經(jīng)受住惡劣海況下考驗，使用情況良好，未出現(xiàn)使用問題，該種方法可以應(yīng)用在其他類似產(chǎn)品的設(shè)計中。