李永勝，王緯波，張彤彤

1 中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫214082

2 船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫214082

0 引 言

地效翼船，又稱地效飛行器、沖翼艇［1］，是一種利用地面或水面效應(yīng)，在貼近地面或水面的地效區(qū)內(nèi)高速航行，性能介于飛機(jī)和船舶之間的高性能飛行器。該船既保持了船舶運(yùn)輸?shù)统杀?、高承載、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，又具有空運(yùn)的速度，真正實(shí)現(xiàn)了水上運(yùn)輸速度的根本性突破，是集航空與航海優(yōu)點(diǎn)于一身的革命性交通運(yùn)輸工具。與普通的飛機(jī)和船舶相比，地效翼船具有氣動(dòng)效率高、有效載重大、安全可靠、速度快、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性好、兩棲機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，在軍事和民用方面用途廣泛。

傳統(tǒng)的地效翼船大多采用鋁合金結(jié)構(gòu)［2-3］，尤其是較大型地效翼船結(jié)構(gòu)，幾乎全部由鋁合金制造。地效翼船最大的缺點(diǎn)是起飛重量過大、有效載重系數(shù)低、耐海水鹽霧性能差、抗疲勞性能較弱，嚴(yán)重制約了我國地效翼船向?qū)嵱没痛笮突较虻陌l(fā)展。如何減小地效翼船的結(jié)構(gòu)重量，提高其裝載效率，是地效翼船設(shè)計(jì)與建造一直追求的目標(biāo)。另外，基于腐蝕控制、隱身防護(hù)的考慮，新型材料的研制和選擇也是一個(gè)舉足輕重的問題。近年來，隨著先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用的飛速進(jìn)步及發(fā)展，特別是在復(fù)合材料性能評(píng)價(jià)、制造工藝、檢測手段等方面技術(shù)的不斷提升，采用復(fù)合材料建造地效翼船以降低空艇重量、增大有效載重量、提升運(yùn)載效率已具備巨大的吸引力［4-5］。復(fù)合材料的比強(qiáng)度高，比剛度大，可根據(jù)控制結(jié)構(gòu)變形的要求來進(jìn)行設(shè)計(jì)。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠整體成型，從而能大大減少零件數(shù)量，降低制造成本。另外，復(fù)合材料的耐腐蝕性和抗疲勞性能較之金屬結(jié)構(gòu)也好得多。

近年來，國外在采用復(fù)合材料進(jìn)行地效翼船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析方面的研究不斷增多［6-10］，而國內(nèi)在相關(guān)方面的研究報(bào)道則相對(duì)較少［11-13］。Kong等［8］采用泡沫夾芯芯材以及碳/環(huán)氧復(fù)合材料研制小型地效翼艇（起飛重量為1.5 t）的主翼、水平尾翼和操縱面，使用商用有限元程序PATRAN/NAS?TRAN 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析，得到了滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重量、結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性的方案；Jeong 等［9］對(duì)采用碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料設(shè)計(jì)的小型復(fù)合材料地效翼船，按照層合板理論及首層破壞失效準(zhǔn)則，對(duì)該地效翼船復(fù)合材料加筋板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算研究；Jeong 等［10］另外還采用有限元方法對(duì)復(fù)合材料地效翼船的靜力試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了計(jì)算研究，用以確定試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷募虞d范圍、應(yīng)變/撓度計(jì)類型和位置、加載方法及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，結(jié)果顯示，有限元模型的應(yīng)力和撓度計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

國內(nèi)目前也有研制成功的小型全復(fù)合材料地效翼船。其中，“翔州1”號(hào)地效翼船是由中國船舶科學(xué)研究中心最新研制的新一代全復(fù)合材料地效翼船［12-13］，也是由中國船級(jí)社（CCS）檢驗(yàn)發(fā)證的第1 艘海上航行的地效翼船。本文將結(jié)合我國首型商用地效翼船——“翔州1”號(hào)全復(fù)合材料地效翼船研制中在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)踐，針對(duì)主浮舟和機(jī)翼這2 個(gè)具有代表性結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性計(jì)算問題進(jìn)行探討，提出相應(yīng)的計(jì)算方法，以供類似的復(fù)合材料地效翼船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算參考。

1 主浮舟總縱強(qiáng)度計(jì)算方法

總縱強(qiáng)度校核主要是對(duì)船體最大總縱彎曲應(yīng)力和船體剖面的最大剪應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算校核，其中總縱彎曲應(yīng)力主要校核船體橫剖面中離中和軸最遠(yuǎn)構(gòu)件的彎曲正應(yīng)力，船體剖面剪應(yīng)力則主要校核船體剖面中和軸附近外板中的剪應(yīng)力，因剪應(yīng)力在靠近中性軸處，故最大。

1.1 設(shè)計(jì)載荷計(jì)算

在計(jì)算地效翼船的總縱強(qiáng)度前，首先要確定結(jié)構(gòu)計(jì)算載荷。根據(jù)中國船級(jí)社（CCS）規(guī)范《地效翼船檢驗(yàn)指南》（以下簡稱“指南”）的規(guī)定［14］，設(shè)計(jì)載荷=結(jié)構(gòu)使用載荷×安全系數(shù)，其中安全系數(shù)K 根據(jù)使用載荷的可靠程度選定，一般取K =1.5～2.0。指南主要給出了地效翼船水動(dòng)力載荷、著水區(qū)分布?jí)毫Φ鹊挠?jì)算公式，但還不足以支撐主浮舟結(jié)構(gòu)的總縱強(qiáng)度校核。

對(duì)主浮舟整體而言，船身受重力、著水慣性力、水動(dòng)力以及機(jī)翼作用力的聯(lián)合作用，其合力為0，但對(duì)沿船長的任一區(qū)段來說，它們是不平衡的。而不平衡的力將會(huì)在船體梁的剖面上產(chǎn)生剪力和彎矩，引起總縱彎曲。船身各載荷的計(jì)算方法如下。

1）重量沿船長的分布。

將船體分成n 站，第i 站與第i+1 站之間的站距為li，將地效翼船上的各項(xiàng)重量按照靜力等效原則分布在相應(yīng)的船長范圍內(nèi)，再逐項(xiàng)疊加得到重量曲線。

第i 站與第i+1 站之間的分布質(zhì)量mi由分布在該區(qū)域的設(shè)備等集中重量mf以及船身結(jié)構(gòu)重量mj（按均勻分布處理）兩部分組成，即

得到重力的線載荷集度表達(dá)式為

式中，g 為重力加速度。

2）慣性力沿船長的分布。

根據(jù)指南的規(guī)定，在校核地效翼船船身結(jié)構(gòu)的總縱強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)校核的載荷工況至少包括船身對(duì)稱著水的3 種工況，即對(duì)稱斷階著水、船艏對(duì)稱著水和船艉對(duì)稱著水，需要考慮船身著水慣性力。3 種著水工況下的著水慣性加速度為aj(j=1，2，3)，aj的取值目前主要依靠試驗(yàn)。

著水慣性力的線載荷集度表達(dá)式為

3）水動(dòng)力沿船長的分布。

3 種著水工況下的船身水動(dòng)力載荷計(jì)算方法分別見指南中第2.2.3～2.2.5 節(jié)的規(guī)定。對(duì)應(yīng)3 種著水工況(i=1，2，3)，水動(dòng)力載荷作用在長度為Li的著水區(qū)域內(nèi)，水動(dòng)力載荷合力為

式中：ni為主浮舟著水時(shí)的過載系數(shù)，在3 種著水工況下取不同的值；Δ 為滿載排水量。

主浮舟水動(dòng)力設(shè)計(jì)載荷為

式中，安全系數(shù)K 一般取1.5～2.0。

水動(dòng)力設(shè)計(jì)載荷在長度為Li的著水區(qū)域內(nèi)的載荷集度為

4）機(jī)翼等效載荷。

主浮舟在著水時(shí)還會(huì)受到機(jī)翼的作用力。機(jī)翼結(jié)構(gòu)主要承受氣動(dòng)載荷（含陣風(fēng)載荷）以及起降過程中所產(chǎn)生的不平衡力矩、轉(zhuǎn)動(dòng)加速度和著水慣性力。在計(jì)算主浮舟的總縱強(qiáng)度時(shí)，不考慮機(jī)翼氣動(dòng)載荷及其他載荷，將機(jī)翼所受重力及著水慣性力等效成集中力Pi加載在主浮舟上。

獲得各載荷后，即可計(jì)算主浮舟結(jié)構(gòu)的剖面剪力N 及彎矩M。計(jì)算時(shí)，將主浮舟簡化為一空心薄壁船體梁，并沿梁的長度方向建立x 軸，坐標(biāo)原點(diǎn)置于主浮舟艏部，x 軸由船艏指向船艉為正。 主浮舟剖面剪力、彎矩的計(jì)算公式為：

式中：q 為地效翼船的線載荷集度，為重力、著水慣性力與水動(dòng)力的載荷集度之和。

1.2 總縱強(qiáng)度的計(jì)算

總縱彎曲應(yīng)力σ 的一般計(jì)算公式為

式中：I 為計(jì)算剖面對(duì)水平中和軸的慣性矩；Z 為計(jì)算應(yīng)力點(diǎn)距中和軸的距離。

由式（10）可知，船體剖面上的應(yīng)力呈線性分布，離中和軸最遠(yuǎn)構(gòu)件中的彎曲正應(yīng)力最大。定義船體剖面模數(shù)W 為

式（10）化為

由式（12）可知，彎矩一定時(shí)，船體剖面模數(shù)W越小，彎曲應(yīng)力越大。對(duì)于玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GRP）復(fù)合材料地效翼船，由于復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度不同，計(jì)算最大彎曲正應(yīng)力時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮最大拉伸應(yīng)力和最大壓縮應(yīng)力，即需要同時(shí)計(jì)算船體剖面頂部構(gòu)件及底部構(gòu)件的剖面模數(shù)W 。

剪應(yīng)力τ 的計(jì)算公式為

定義有效抗剪面積A 為

式中：S 為剖面對(duì)中性軸的靜矩；t 為剖面復(fù)合材料腹板總厚度，則

1.3 危險(xiǎn)剖面的選取及剖面模數(shù)計(jì)算

指南中建議，在對(duì)主浮舟結(jié)構(gòu)作總縱強(qiáng)度校核時(shí)，至少應(yīng)取3 個(gè)橫剖面進(jìn)行校核。根據(jù)指南的要求，對(duì)于3 種著水工況，本文確定危險(xiǎn)剖面選取的一般原則為：

1）最大彎矩所在剖面；

2）最大剪力對(duì)應(yīng)剖面；

3）斷階處等形狀出現(xiàn)突變的剖面。

計(jì)算剖面模數(shù)時(shí)，由于夾芯板的芯材一般采用低密度的泡沫芯材，屬于無效芯材，故不參與總縱強(qiáng)度計(jì)算，僅計(jì)算復(fù)合材料面板所組成剖面的剖面模數(shù)。

1.4 強(qiáng)度衡準(zhǔn)

計(jì)算主浮舟總縱彎曲時(shí)，由于在確定設(shè)計(jì)載荷時(shí)已經(jīng)考慮了主浮舟著水時(shí)的過載系數(shù)ni（不同著水工況其取值不同）及使用安全系數(shù)K ，因此在進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，不需要再考慮材料的安全系數(shù)。

分析總縱強(qiáng)度時(shí)，由于夾芯板中的芯材為無效芯材，不參與總縱強(qiáng)度計(jì)算，故僅分析夾心板中GRP 復(fù)合材料的強(qiáng)度。設(shè)GRP 復(fù)合材料的面內(nèi)拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度及剪切強(qiáng)度分別為[σt]，[σc]，[τ]，其應(yīng)力計(jì)算值分別為σt，σc，τ ，則強(qiáng)度判定條件為：

2 機(jī)翼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方法

2.1 設(shè)計(jì)載荷計(jì)算

機(jī)翼主要包括中翼和外翼，其設(shè)計(jì)載荷主要考慮氣動(dòng)載荷。設(shè)計(jì)氣動(dòng)載荷PsJa的計(jì)算公式為

式中：Psya為最大使用氣動(dòng)載荷，為船體總重的1.13 倍（此時(shí)，平尾氣動(dòng)力向下）；na為氣動(dòng)過載系數(shù)。本文中，K ，na均取1.5。

機(jī)翼設(shè)計(jì)氣動(dòng)載荷在中翼和外翼之間按一定的比例分配，并沿中翼、外翼的展向、弦向分別呈一定的分布規(guī)律。

中翼載荷在展向按弦長成線性分布，如圖1（a）所示，線載荷集度（單位：kN/m）為

式中，z為展向坐標(biāo)值，向后為正。

中翼載荷在弦向按梯形分布，如圖1（b）所示，面載荷集度（單位：kN/m2）為

式中，x 為弦向坐標(biāo)值，向后為正。

同樣，外翼載荷在展向按弦長呈線性分布，如圖2（a）所示，在弦向的分布如圖2（b）所示。

圖1、圖2 中：A，B 分別為中翼前緣上表面和下表面高度；C 為中翼后緣下表面高度；C（z）為弦長；qsJaw為外翼載荷沿展向的線載荷集度。

2.2 有限元模型

圖1 中翼設(shè)計(jì)載荷分布Fig.1 Design load distribution of middle wing

圖2 外翼設(shè)計(jì)載荷分布Fig.2 Design load distribution of outer wing

中翼由夾芯復(fù)合材料翼梁、翼肋、縱墻、長桁和蒙皮組成，外翼由夾芯復(fù)合材料翼梁、翼肋、縱墻和蒙皮組成。有限元建模時(shí)，機(jī)翼的蒙皮、翼梁的翼板及腹板、縱墻的翼板及腹板以及翼肋板都采用夾芯板單元進(jìn)行模擬。中翼上的桁條采用梁單元進(jìn)行模擬。機(jī)翼的氣動(dòng)載荷以面力的形式施加在機(jī)翼蒙皮上。同時(shí)，在中翼翼根部與翼盒的連接處施加簡支邊界條件，有限元模型如圖3所示。

2.3 強(qiáng)度衡準(zhǔn)

計(jì)算機(jī)翼的強(qiáng)度時(shí)，同樣在確定設(shè)計(jì)載荷時(shí)已經(jīng)考慮了機(jī)翼氣動(dòng)過載系數(shù)na以及使用安全系數(shù)K ；在進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，材料的安全系數(shù)K不需要再考慮，強(qiáng)度校核方法及判定條件同1.4 節(jié)及式（16）。

3 強(qiáng)度分析算例

3.1 材料特性

地效翼船主浮舟、機(jī)翼的主體結(jié)構(gòu)材料為GRP 面板及泡沫芯材組成的夾芯復(fù)合材料，其中GRP 面板的增強(qiáng)材料為200 g/m2的斜紋布，樹脂基體為430LV 乙烯基樹脂。計(jì)算所用GRP 復(fù)合材料以及泡沫材料的彈性常數(shù)及強(qiáng)度值分別如表1（表中E 為彈性模量，G 為剪切模量）和表2 所示。其中，GRP 復(fù)合材料的材料特性經(jīng)上海玻璃鋼研究院檢測獲得，試件采用真空成型工藝并從同一塊板試樣上切割，以保證性能的一致性；PVC泡沫材料的特性由生產(chǎn)廠家提供。

表1 材料彈性常數(shù)Table 1 Elastic constant of materials

表2 材料強(qiáng)度Table 2 Material strength

3.2 主浮舟總縱強(qiáng)度計(jì)算分析

以對(duì)稱斷階著水工況主浮舟的總強(qiáng)度計(jì)算為例進(jìn)行分析。對(duì)稱斷階著水時(shí)，按照載荷計(jì)算方法獲得的剪力、彎矩圖如圖4（圖中，L 為主浮舟長度）所示。由剪力圖（圖4（a））可以看出，在主浮舟的艏部和艉部，剪力為0，滿足自由邊界條件，最大彎矩（圖4（b））出現(xiàn)在船舯位置，說明載荷計(jì)算結(jié)果合理。

圖4 對(duì)稱斷階著水時(shí)主浮舟剪力、彎矩分布圖Fig.4 Shear force and bending moment distribution of the main float in symmetrically stage breakage fall into water

根據(jù)對(duì)稱斷階著水工況下最大剪力和彎矩出現(xiàn)的位置，共選取5 個(gè)強(qiáng)度校核剖面，如圖5 所示（單位：mm）。

圖5 選取的剖面位置示意圖Fig.5 Schematic diagram of selected profile location

根據(jù)前文的方法計(jì)算所選取剖面的剖面模數(shù)及其有效抗剪面積，得到彎曲正應(yīng)力和剪應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果分別如表3 和表4 所示。

由計(jì)算可知，在對(duì)稱斷階著水工況下，船體彎曲時(shí)的正應(yīng)力為：最大拉應(yīng)力22.97 MPa，最大壓應(yīng)力-13.57 MPa，最大剪應(yīng)力11.57 MPa。

表3 彎曲應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Table 3 Results of bending stress

表4 剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Table 4 Results of shear stress

采用本文的方法，在3 種不同著水工況下，對(duì)主浮舟的總縱彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算，其總體應(yīng)力水平為：

1）表皮GRP 復(fù)合材料的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在對(duì)稱斷階著水工況下，其值為22.97 MPa；

2）表皮GRP 復(fù)合材料的最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在船艉對(duì)稱著水工況下，其值為-26.3 MPa；

3）表皮GRP 復(fù)合材料的最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在船艉對(duì)稱著水工況下，其值為14.96 MPa。

根據(jù)強(qiáng)度衡準(zhǔn)公式（16），主浮舟GRP 面板各應(yīng)力計(jì)算結(jié)果均小于表2 中對(duì)應(yīng)的GRP 復(fù)合材料的材料強(qiáng)度值，滿足強(qiáng)度要求。

3.3 機(jī)翼強(qiáng)度計(jì)算分析

以機(jī)翼的中翼計(jì)算為例進(jìn)行分析。中翼由翼梁、翼肋、長桁和蒙皮組成，翼梁腹板、翼肋、蒙皮均為泡沫夾芯結(jié)構(gòu)。中翼蒙皮、翼梁及縱墻腹板、翼肋沿中翼弦向和展向的正應(yīng)力（S11，S22）以及面內(nèi)剪切應(yīng)力（S12）分布云圖分別如圖6～圖8 所示。

圖6 蒙皮應(yīng)力分布云圖Fig.6 Stress contours of skin

圖7 翼梁及縱墻腹板應(yīng)力分布云圖Fig.7 Stress contours of girder and longitudial web plate

圖8 翼肋沿肋板縱向及橫向的應(yīng)力分布云圖Fig.8 Stress contours of longitudinal and transverse of wing ribs along the floor

經(jīng)進(jìn)一步分析，中翼（夾芯板）內(nèi)、外表皮以及芯材沿機(jī)翼弦向、展向的最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力如表5 所示。在分析正應(yīng)力時(shí)，同時(shí)考慮了受拉、壓應(yīng)力的情況，其中正值表示板受到的拉應(yīng)力，負(fù)值表示板受到的壓應(yīng)力。

表5 中翼應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Table 5 Stress calculation results of middle wing

通過對(duì)機(jī)翼中翼結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算分析，得出中翼結(jié)構(gòu)的總體應(yīng)力水平如下：

1）中翼結(jié)構(gòu)中GRP 表皮的面內(nèi)最大拉、壓應(yīng)力分別為113.5 和-103.3 MPa（出現(xiàn)在蒙皮中），最大剪應(yīng)力為25.8 MPa（出現(xiàn)在翼梁腹板中）；

2）中翼結(jié)構(gòu)中泡沫芯材的面內(nèi)最大拉、壓應(yīng)力分別為0.32 和-0.29 MPa（出現(xiàn)在蒙皮中），最大剪應(yīng)力為0.56 MPa（出現(xiàn)在翼梁腹板中）。

根據(jù)強(qiáng)度衡準(zhǔn)公式（16），機(jī)翼中翼夾芯板GRP表皮的各應(yīng)力均小于表2 中對(duì)應(yīng)的GRP 復(fù)合材料的材料強(qiáng)度值，泡沫芯材的各應(yīng)力也均小于表2中對(duì)應(yīng)的材料強(qiáng)度值，滿足強(qiáng)度要求。

4 夾芯復(fù)合材料板的穩(wěn)定性計(jì)算方法

4.1 局部穩(wěn)定性計(jì)算方法

地效翼船主浮舟底部和機(jī)翼以及其他很多部位的夾芯板都承受著壓縮載荷，故需校核這些夾芯板的局部穩(wěn)定性。

1）面板皺褶失穩(wěn)。

當(dāng)面板與芯材膠粘良好時(shí)，對(duì)于芯材較厚的泡沫塑料夾層結(jié)構(gòu)板，會(huì)發(fā)生面板皺褶失穩(wěn)，所采用的臨界應(yīng)力（單位：MPa）計(jì)算公式通常為

式中：Ef和Ec分別為夾芯板面板和芯材的楊氏彈性模量；Gc為芯材的剪切模量。

主浮舟與機(jī)翼等復(fù)合材料夾芯板結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)如表1 所示。將材料特性代入式（20），得

由結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，校核分析如下：機(jī)翼蒙皮的最大壓應(yīng)力為103.3 MPa，主浮舟蒙皮的最大壓應(yīng)力為26.3 MPa，均小于臨界應(yīng)力，機(jī)翼與主浮舟蒙皮的穩(wěn)定性滿足安全要求。

2）芯材剪切失穩(wěn)。

當(dāng)泡沫塑料的密度較小、性能較低，或夾層結(jié)構(gòu)板的厚度較薄時(shí)，會(huì)發(fā)生芯材剪切失穩(wěn)，其對(duì)應(yīng)的夾芯板材臨界應(yīng)力計(jì)算公式為

式中：d 為夾芯板上、下面板中面之間的距離；tf為上、下面板的平均厚度。

主浮舟和機(jī)翼夾芯板所用芯材厚度均為8 mm，其中主浮舟GRP 內(nèi)表皮厚度均為0.6 mm，外表皮則為變厚度，其由頂部向底部由0.6 mm 漸變至1.5 mm；中翼復(fù)合材料內(nèi)、外表皮對(duì)稱且厚度為變厚度，厚度沿展向由0.8 mm 漸變至0.6 mm。

3）表皮局部剪切失穩(wěn)。

對(duì)于機(jī)翼翼梁腹板、翼肋等處的夾芯復(fù)合材料板，由于其受力情況主要為受剪應(yīng)力，因此要對(duì)其面內(nèi)剪切穩(wěn)定性進(jìn)行校核。同樣，有總體剪切失穩(wěn)和面板剪切皺褶失穩(wěn)問題。這里，先考慮局部面板的剪切失穩(wěn)。

表皮剪切皺褶失穩(wěn)：

芯材剪切失穩(wěn)：

4.2 整體穩(wěn)定性計(jì)算方法

考慮到蒙皮結(jié)構(gòu)主要承載面內(nèi)剪力，以保守計(jì)，認(rèn)為其在框架處為簡支邊界條件。承受剪切應(yīng)力的四邊簡支板臨界載荷Ncr計(jì)算公式為

式中：k 為與長寬尺度比相關(guān)的系數(shù)；b 為板格短邊長度；D 為夾芯板的抗彎剛度。

考慮到表皮與芯材間面內(nèi)剪切剛度較大的差異性，在整體等效板計(jì)算中，假定芯材為無效芯材，則折算到GRP 表皮中的整體夾芯板剪切失穩(wěn)臨界應(yīng)力τcr為

下面，依上述計(jì)算公式對(duì)各關(guān)鍵部位的夾芯板整體進(jìn)行校核。

1）主浮舟蒙皮。

對(duì)于主浮舟結(jié)構(gòu)，在本設(shè)計(jì)方案中，舷側(cè)蒙皮板格最大設(shè)計(jì)尺寸取為400 mm×800 mm，根據(jù)尺度比，得相關(guān)系數(shù)k=6.6，則蒙皮夾芯板剪切失穩(wěn)時(shí)GRP 表皮中的臨界應(yīng)力τcr=104.95 MPa。

強(qiáng)度分析計(jì)算結(jié)果顯示，主浮舟舷側(cè)蒙皮的最大剪應(yīng)力為36.44 MPa，顯然滿足穩(wěn)定性要求。校核計(jì)算書也表明，該應(yīng)力發(fā)生在艉部著水工況主斷階后2 450 mm 處。實(shí)際上，該剖面及前、后段框架間距設(shè)計(jì)尺寸小于400 mm×800 mm，相對(duì)應(yīng)的臨界剪應(yīng)力大于104.95 MPa，因此從蒙皮板受剪失穩(wěn)的破壞角度來看，有足夠大的安全裕度。

2）機(jī)翼蒙皮。

機(jī)翼蒙皮的板格最大設(shè)計(jì)尺寸取為500 mm×500 mm，根據(jù)尺度比，得相關(guān)系數(shù)k=9.34，則機(jī)翼蒙皮夾芯板面內(nèi)剪切整體失穩(wěn)時(shí)GRP 表皮中的臨界應(yīng)力τcr=95.05 MPa。

機(jī)翼強(qiáng)度計(jì)算給出的機(jī)翼蒙皮夾芯板GRP表皮中的最大剪應(yīng)力為65.47 MPa，滿足剪切穩(wěn)定性要求。同時(shí)，如4.1 節(jié)表皮皺褶穩(wěn)定性分析中指出的那樣，在強(qiáng)度校核計(jì)算中，該最大剪應(yīng)力發(fā)生在貼翼梁靠近根部處，實(shí)際上含有應(yīng)力集中的影響，其附近的應(yīng)力水平均比該值小，因此認(rèn)為從蒙皮夾芯板受剪失穩(wěn)的角度來看，是有足夠的安全裕度的。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)復(fù)合材料地效翼船，在太湖完成了排水航行、滑行、直線滑行加速、起飛降落、地效飛行、大飛高飛行等一系列實(shí)船試驗(yàn)，累計(jì)完成起降45次，最大遭遇波浪0.75 m，風(fēng)力5 級(jí)。試驗(yàn)中，未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性問題［12-13］，驗(yàn)證了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性。該船的強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核是采用本文方法進(jìn)行的，這也從側(cè)面驗(yàn)證了方法的合理性和實(shí)用性。

6 結(jié) 語

本文建立的主浮舟設(shè)計(jì)載荷、總縱彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力和機(jī)翼設(shè)計(jì)載荷、載荷在翼面上的分布等理論計(jì)算方法、結(jié)合設(shè)計(jì)載荷確定過程中考慮的過載系數(shù)和安全系數(shù)，以及相應(yīng)給出的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度衡準(zhǔn)，對(duì)于復(fù)合材料地效翼船船身結(jié)構(gòu)及機(jī)翼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析具有重要參考價(jià)值，同時(shí)，主浮舟及機(jī)翼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性校核方法對(duì)于類似工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析及設(shè)計(jì)也有著重要的參考價(jià)值和學(xué)術(shù)研究價(jià)值。

本文的實(shí)船試驗(yàn)沒有獲取結(jié)構(gòu)部分的應(yīng)變、位移等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在后續(xù)研究中，還需通過相關(guān)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)定量驗(yàn)證本文方法。