金星瑜，程瑞松

（1.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú)錫 214082；2.中船重工（海南）飛船發(fā)展有限公司，海南 三亞 572000）

碳纖維具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，可在滿足力學(xué)性能的前提下有效降低結(jié)構(gòu)重量，因而在高性能船舶領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛。夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料具有比剛度大、比強(qiáng)度高、抗彎和抗沖擊性能優(yōu)良的特點(diǎn)，本文研究對(duì)象為碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料制備的某型地效翼船發(fā)動(dòng)機(jī)支架安裝基座，建立有限元模型，利用MSC.Patran/Nastran軟件分析發(fā)動(dòng)機(jī)拉力、縱向過(guò)載和橫向過(guò)載不同工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，對(duì)基座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核，為后續(xù)優(yōu)化減重設(shè)計(jì)提供方向。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)基座結(jié)構(gòu)及模型

發(fā)動(dòng)機(jī)支架安裝基座位于主翼上表面，主體由縱向壁板和橫向肋板組成，基座長(zhǎng)1360mm，寬320mm，肋板平均高度350mm。上部和底部為安裝連接螺栓設(shè)置3mm厚實(shí)心碳纖維法蘭邊，基座和主翼通過(guò)底部法蘭邊膠接和螺栓連接。

基座壁板和肋板夾層結(jié)構(gòu)表皮為T(mén)700碳纖維正交雙向布，芯材為AIREX C70硬質(zhì)泡沫，材料剛度和強(qiáng)度力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表1。壁板中部及肋板夾層的內(nèi)外碳纖維表皮和泡沫夾芯厚度分別為0.7mm和8mm，壁板前后部碳纖維表皮厚度1mm，局部加強(qiáng)位置為10mm厚實(shí)心碳纖維板。

表1 T700碳纖維復(fù)合材料和泡沫芯材工程彈性常數(shù)及極限強(qiáng)度值

在前處理軟件Hypermesh中對(duì)基座模型進(jìn)行網(wǎng)格離散，使用二維殼單元模擬板材結(jié)構(gòu)，利用Patran-Laminate選項(xiàng)定義各部件的夾層材料、厚度屬性。發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量通過(guò)質(zhì)點(diǎn)單元施加于質(zhì)心位置，并通過(guò)MPC與基座連接?；邢拊Ｐ鸵?jiàn)圖1。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)基座有限元模型

2 計(jì)算工況

根據(jù)總體設(shè)計(jì)文件考慮2種計(jì)算工況，工況1使用載荷包含縱向發(fā)動(dòng)機(jī)拉力6500N，垂向加速度2.81g，工況2使用載荷包含橫向加速度1.5g。仿真計(jì)算以設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行校核，即使用載荷乘以安全系數(shù)1.5。如表2所示。

表2 計(jì)算工況使用載荷值

施加邊界條件，固支基座底部與主翼連接法蘭邊的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。通過(guò)Patran-Force選項(xiàng)施加發(fā)動(dòng)機(jī)拉力，Patran-Inertial Load選項(xiàng)施加加速度載荷。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

采用Nastran求解器仿真計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)基座夾層板碳纖維表皮兩個(gè)纖維主方向上的最大拉壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力，應(yīng)力分布見(jiàn)圖2，以及夾芯泡沫應(yīng)力值（表3）。工況1碳纖維表皮最大拉應(yīng)力39.4MPa，最大壓應(yīng)力為61.2MPa，應(yīng)力最大處位于兩側(cè)壁板，最大剪切應(yīng)力為21.5MPa位于肋板上部。工況2碳纖維表皮最大拉應(yīng)力60.8MPa，最大壓應(yīng)力69.1MPa，最大剪切應(yīng)力為18.2MPa位于前肋板上部。碳纖維表皮應(yīng)力計(jì)算結(jié)果均小于材料對(duì)應(yīng)強(qiáng)度值，滿足安全性要求。

圖2 工況1基座碳纖維表皮主方向壓應(yīng)力云圖

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)基座夾層碳纖維表皮應(yīng)力值（MPa）

工況1泡沫夾芯最大拉應(yīng)力0.114MPa，最大壓應(yīng)力0.178MPa，最大剪切應(yīng)力0.137MPa，工況2泡沫夾芯最大拉應(yīng)力0.143MPa，最大壓應(yīng)力0.132MPa，最大剪切應(yīng)力0.119MPa，均小于對(duì)應(yīng)強(qiáng)度值，滿足安全性要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于碳纖維泡沫夾層結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)安裝基座，采用MMSC.Patran/Nastran軟件分析2種載荷工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全性。主要結(jié)論如下。

（1）基座壁板和肋板采用碳纖維表皮和泡沫芯材的夾層板滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全性要求。（2）壁板中部和肋板側(cè)邊為應(yīng)力集中區(qū)域，日常使用維護(hù)需重點(diǎn)關(guān)注。（3）壁板前后位置和肋板中部應(yīng)力水平較低，可適當(dāng)減少該局部碳纖布鋪層厚度以達(dá)到減重目的。