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        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(jì)

        2022-09-02 07:01:26方若愚鮑文倩裴軼群黃如祎
        造船技術(shù) 2022年4期
        關(guān)鍵詞:筒體復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

        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(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院,上海 200011)

        0 引 言

        英國(guó)是較早將氣墊船(Air-Cushion Vessel,ACV)用于國(guó)防軍事領(lǐng)域的國(guó)家,該國(guó)Griffon公司生產(chǎn)的2000TDX型ACV在船尾設(shè)置2個(gè)導(dǎo)管螺旋槳,該國(guó)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(guó)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(jì)[4-5]。美國(guó)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(jì)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(jì)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(tuán),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(jìn)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(shí),在空氣導(dǎo)管內(nèi)外表面形成壓力場(chǎng),壓力場(chǎng)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(dá)螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力的30%~50%[6]。

        針對(duì)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(jì)形式,結(jié)合有限元分析軟件,開(kāi)展ACV用復(fù)合材料空氣導(dǎo)管設(shè)計(jì)方案研究。

        1 空氣導(dǎo)管常規(guī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

        1.1 材料體系

        國(guó)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(wú)明顯優(yōu)勢(shì),并在長(zhǎng)期使用過(guò)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(jìn)步,復(fù)合材料逐步在船舶行業(yè)得以應(yīng)用[7]。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、輕質(zhì)和耐腐蝕的特點(diǎn),在滿(mǎn)足船用環(huán)境適應(yīng)性的前提下,纖維增強(qiáng)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(lái),纖維增強(qiáng)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(jìn)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(yùn)輸,船體自身質(zhì)量控制為設(shè)計(jì)關(guān)鍵,采用復(fù)合材料代替原本的鋁合金導(dǎo)管成為國(guó)內(nèi)外船用空氣導(dǎo)管的設(shè)計(jì)趨勢(shì)。

        1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

        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(qiáng)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(gè)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(qiáng)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(guò)基座傳遞至船體。

        螺旋槳在工作時(shí)在筒體內(nèi)蒙皮上形成脈動(dòng)載荷,脈動(dòng)載荷峰值通常出現(xiàn)于槳盤(pán)平面附近,對(duì)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(mǎn)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(dòng)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(jì)的一項(xiàng)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(yùn)行,導(dǎo)管結(jié)構(gòu)需要足夠的強(qiáng)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(jì)

        2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(qiáng)度、剛度、質(zhì)量和精度等各項(xiàng)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(duì)部件壁板構(gòu)型及尺寸、內(nèi)部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)型及尺寸等進(jìn)行總體布局設(shè)計(jì)。

        在導(dǎo)管總體布局設(shè)計(jì)過(guò)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(jī)機(jī)翼等復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和工程經(jīng)驗(yàn),進(jìn)行復(fù)合材料導(dǎo)管的總體布局設(shè)計(jì),形成初始設(shè)計(jì)方案,并建立等效分析模型。根據(jù)不同的載荷工況,對(duì)結(jié)構(gòu)的初始設(shè)計(jì)方案進(jìn)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?cè)O(shè)計(jì),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(jì)載荷下具有足夠的強(qiáng)度和剛度,安全裕度應(yīng)大于零。在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡可能采用成熟的或已有一定經(jīng)驗(yàn)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(jì)為整體件。

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

        2.2 鋪層設(shè)計(jì)和優(yōu)化

        在復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)中,鋪層方向通常采用0°、90°、45°和-45°,根據(jù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(duì)出現(xiàn)。層合板的鋪層順序應(yīng)盡可能以中面對(duì)稱(chēng)分布,避免在固化過(guò)程中由彎曲、拉伸和扭轉(zhuǎn)等引起的翹曲變形等問(wèn)題[10]。

        鋪層優(yōu)化主要利用復(fù)合材料鋪層優(yōu)化軟件,對(duì)初始設(shè)計(jì)中的復(fù)合材料層合板厚度和各方向鋪層厚度進(jìn)行優(yōu)化,得到更優(yōu)的鋪層比,對(duì)整體結(jié)構(gòu)達(dá)到減重的目的,為鋪層設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。利用OptiStruct軟件進(jìn)行復(fù)合材料鋪層優(yōu)化求解,按照初步設(shè)計(jì)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(jì)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(wèn)題,其優(yōu)化計(jì)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(diǎn)位移向量;{P}為單元節(jié)點(diǎn)載荷向量。

        兩邊對(duì)設(shè)計(jì)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(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行泰勒展開(kāi),得到顯式近似模型,其線(xiàn)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?yàn)檎w式回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu),結(jié)合國(guó)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(dòng)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(qiáng)肋板粘接工藝特點(diǎn),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(jì),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(guò)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(qiáng)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(qiáng)度和剛度??v向加強(qiáng)肋板為翼型外形,與筒體翼型契合?;谕搀w不同位置強(qiáng)度和剛度要求的差異性,加強(qiáng)肋板的材料和厚度有所不同。筒體縱向加強(qiáng)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(hào)、6號(hào)、10號(hào)和11號(hào)肋板進(jìn)行加厚處理。

        圖3 筒體縱向加強(qiáng)肋板布置

        筒體內(nèi)部設(shè)置3道環(huán)向加強(qiáng)肋板,如圖4所示,其中:(1)號(hào)和(2)號(hào)環(huán)向加強(qiáng)肋板分別位于筒體與支臂連接處的兩端;(3)號(hào)環(huán)向加強(qiáng)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(duì)由螺旋槳激勵(lì)產(chǎn)生的脈動(dòng)吸力所引起的變形和疲勞問(wèn)題??v向和環(huán)向加強(qiáng)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??紤]質(zhì)量控制、施工工藝和維修檢查,在縱向和環(huán)向加強(qiáng)肋板上設(shè)置減輕孔,并在減輕孔開(kāi)口處設(shè)置翻邊結(jié)構(gòu),減輕孔開(kāi)孔平均寬度不超過(guò)隔板整體寬度60%。

        圖4 筒體內(nèi)部環(huán)向加強(qiáng)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(dòng)推力外,整流支臂需要承受來(lái)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(qiáng)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(qiáng)度和剛度,其內(nèi)部設(shè)置2個(gè)C字形縱向加強(qiáng)筋和1個(gè)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(qiáng)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(tái)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(jì),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(gè)鋁合金機(jī)加框結(jié)構(gòu)組成,并通過(guò)螺栓連接裝配形成框架式結(jié)構(gòu),如圖7所示。基座機(jī)加框結(jié)構(gòu)為金屬板與加強(qiáng)筋結(jié)合的形式,其中:①號(hào)框和⑤號(hào)框分別與圖5的整流支臂D和E通過(guò)筒體縱向加強(qiáng)肋板連接,設(shè)置10道加強(qiáng)筋;⑥號(hào)框和⑦號(hào)框分別與筒體前后緣連接,設(shè)置25道加強(qiáng)筋;②號(hào)框、③號(hào)框和④號(hào)框分別與圖3的筒體的7號(hào)、8號(hào)和9號(hào)非支臂肋板連接,設(shè)置10道加強(qiáng)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(jìn)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(jī)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(gè)。

        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(qiáng)度需求,在局部加強(qiáng)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。空氣導(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(yùn)行時(shí)的載荷和過(guò)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(shí)其內(nèi)壁相應(yīng)區(qū)域出現(xiàn)的脈動(dòng)載荷等,并需要考慮極限運(yùn)行過(guò)載引起的影響??諝鈱?dǎo)管載荷條件如表2所示,在運(yùn)行過(guò)程中主要受到重力加速度、螺旋槳推力、筒體輔助推力、脈動(dòng)吸力和極限運(yùn)行過(guò)載等5個(gè)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(gè)計(jì)算工況。3個(gè)工況僅極限運(yùn)行過(guò)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(yùn)行過(guò)載。

        表2 空氣導(dǎo)管載荷條件

        4.3 計(jì)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(jì)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(qiáng)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(jì)算結(jié)果

        5 結(jié) 語(yǔ)

        提供一種可行的復(fù)合材料空氣導(dǎo)管布局設(shè)計(jì),并通過(guò)有限元軟件在理論層面驗(yàn)證其可行性。在導(dǎo)管布局設(shè)計(jì)方案中,在極限過(guò)載工況條件下導(dǎo)管結(jié)構(gòu)可保持正常運(yùn)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(mǎn)足導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度要求。

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

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        復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)探討
        論《日出》的結(jié)構(gòu)
        球磨機(jī)筒體鑄鋼端蓋裂紋的處理方法
        創(chuàng)新治理結(jié)構(gòu)促進(jìn)中小企業(yè)持續(xù)成長(zhǎng)
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