金星瑜，程瑞松，尤國紅，石亞軍,，周秀紅

(1.中國船舶科學(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)生浮力和水動升力的組件[1-2]。近年來，國內(nèi)外設(shè)計人員基于輕量化設(shè)計思想，常選用高強纖維布和泡沫夾芯固化的夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料進行中小型地效翼船設(shè)計。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)的理論計算與使用經(jīng)驗也明確了夾層復(fù)合材料保證船體局部剛度、滿足強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，針對浮筒濕面積大和長期高頻次浸水的特點，尤其具有適用性。為進一步探討夾層復(fù)合材料應(yīng)用于地效翼船浮筒的可行性，基于某型4 t級上單翼布局的地效翼船，設(shè)計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前處理軟件進行網(wǎng)格離散，采用MSC.Patran/Nastran軟件對浮筒著水工況進行有限元仿真計算，對整體和局部結(jié)構(gòu)強度進行校核并提出局部加強方案。

1 浮筒連接與構(gòu)造方案

1.1 浮筒與主翼連接方式

圖1分別為我國和俄羅斯的兩款地效翼船，對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，減少機翼氣動誘導(dǎo)阻力并加強氣墊效應(yīng)，達到動力增升提高地效區(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，因而觸水時能夠快速將砰擊載荷傳遞到翼與船身的強構(gòu)件，結(jié)構(gòu)安全性較易實現(xiàn)。

本文所述浮筒設(shè)計是為了用于上單翼布局的4 t級地效翼船平臺。與圖1中傳統(tǒng)布局的地效翼船不同的是，該型號主翼平直高置無下反角，發(fā)動機置于機翼上方，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，若仍采用前文側(cè)浮體性質(zhì)的浮筒，著水時船身需要側(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“雙劍桿斜撐”式連接方式，浮筒通過“V”形支撐件與機翼下表面連接，浮筒底部接近船身水線高度，保證地效翼船受到橫向擾動側(cè)傾時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個隔框，后體至艉部另有2個隔框。隔框編號自斷階向艏艉遞增。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，又可實現(xiàn)浮筒向主翼強梁的載荷傳遞。

1.3 內(nèi)部夾層構(gòu)件設(shè)計

浮筒各構(gòu)件均為玻璃鋼泡沫夾層結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同部位受載嚴酷程度對表皮玻璃鋼和夾芯泡沫厚度靈活設(shè)計。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)計保證內(nèi)部龍骨走勢光順。

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，防止受載時局部變形過大導(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)強度仿真分析

2.1 設(shè)計載荷及計算工況

地效翼船正常起飛滑行、地效區(qū)航行和對稱著水時，浮筒外載荷有氣動升阻力、水阻力和浮力，但是這些工況浮筒受載嚴酷程度遠小于船體非對稱著水后單側(cè)浮筒著水工況。因此設(shè)計載荷以單側(cè)著水工況的載荷為基礎(chǔ)進行確定。經(jīng)總體設(shè)計測算，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)計載荷PSJ為水對浮筒底面的砰擊反作用力，方向垂直向上。著水長度為斷階前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，故認為著水面上的水壓為均布載荷?？紤]2種計算工況:①工況1,著水面兩側(cè)水壓相等；②工況2,著水面靠近機翼翼尖(朝外)一側(cè)水壓在垂直方向上的合力占設(shè)計載荷的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稱，考察此時浮筒局部的變形和應(yīng)力分布情況，分析并加強薄弱區(qū)域，提高安全裕度。根據(jù)著水面積計算兩側(cè)均布壓強值，作為有限元仿真載荷輸入，見表2。

表2 浮筒計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中對浮筒及其支撐劍桿進行網(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)邊的實心玻璃鋼采用一維Beam梁單元，網(wǎng)格尺寸30 mm，局部加密。單元數(shù)量23 920，節(jié)點數(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選項定義各部件殼單元的夾層、材料屬性。根據(jù)圖5設(shè)計方案，斷階夾層厚度由QF2至QF0框位漸變加厚。建模時為簡化材料屬性設(shè)置，模型中僅對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)域計算剛度小于實際值，計算結(jié)果用于強度校核將偏保守。

施加邊界條件，將浮筒支撐件與機翼連接處的一圈節(jié)點固支，在斷階前底部長0.2 m的著水面兩側(cè)施加對應(yīng)均布壓強。玻璃鋼材料特性由上海玻璃鋼研究院檢測，PVC泡沫性能由廠家提供，材料彈性常數(shù)及強度數(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度值 MPa

2.3 計算結(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)力計算結(jié)果并進行分析。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載荷對稱，因此整體變形也關(guān)于浮筒中縱面對稱，工況2受非對稱載荷，斷階夾層單側(cè)內(nèi)凹明顯，局部變形撓度較大。用時，浮筒整體發(fā)生一定程度的橫向偏轉(zhuǎn)：艏部外旋、艉部內(nèi)旋，同時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)邊玻璃鋼包覆層梁單元在工況2載荷下的應(yīng)力云圖。計算結(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局部的結(jié)構(gòu)強度要求更高。

進一步通過局部蒙皮玻璃鋼應(yīng)力分析危險區(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。

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

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。非對稱載荷工況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計算結(jié)果進行結(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)力準則校核夾層結(jié)構(gòu)中玻璃鋼表皮強度，最大應(yīng)力準則判據(jù)表達式為

(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方向拉伸和壓縮強度；S為剪切強度。

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

利用MSC.Patran/Nastran軟件進行仿真計算驗證了單側(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)計滿足強度安全性要求。

3 局部加強改進方案

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)力集中的危險區(qū)域，應(yīng)進行局部加強以提高安全裕度。

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。同時適當(dāng)加厚中央隔框的外伸耳片，耳片與支撐件嵌套膠接時，需合理控制膠接劑厚度并粘接均勻，可保證局部的連接強度。

對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，同時防止在航行中被硬物刮蹭或刺破時迅速進水。

圖14 浮筒底部填充泡沫

4 結(jié)論

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

2)非對稱載荷計算工況是對嚴酷極限情況下浮筒單邊局部強度安全性的有效評估，計算結(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)計性強的特點給出相應(yīng)加強改進方案，可將集中于小區(qū)域的壓力合理分散傳遞到浮筒內(nèi)部縱橫向強構(gòu)件上且結(jié)構(gòu)自重增加較少。