錯層式鈦合金球鼻首導流罩結構形式研究

金武雷 周心桃 陳昆淵 涂 三

中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064

錯層式鈦合金球鼻首導流罩結構形式研究

金武雷 周心桃 陳昆淵 涂 三

中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064

針對有特殊聲學要求的球鼻首導流罩，為滿足其透聲要求，提出錯層式鈦合金球鼻首導流罩的結構形式。首先提出了基本結構形式，分析了這種結構形式下連接結構的水密性、結構方案的經濟性。運用有限元計算方法對結構強度進行了校核，并對聲學性能進行了分析。研究表明：這一結構形式能夠滿足聲吶特殊的工作要求，且結構設計可行。

艦艇；球鼻首；導流罩；結構形式；聲學；鈦合金

1 引言

在現代艦艇結構中，球鼻首導流罩作為改善流體阻力性能、裝載艏部聲吶最重要的船體首部的一種結構形式被廣泛應用到各型艦艇中。裝有聲吶的艦艇球鼻首是水下反潛作戰的探測窗口。作為設備的工作艙室，艦艇球鼻首結構在保證船體首部外形及水動力性能、滿足結構強度的前提下，要實現良好的聲學性能，完成為聲吶提供優良服務的主要功能［1］。

聲吶透聲窗或球鼻首導流罩的透聲材料，最早采用的是合金鋼板，如美國的CW-351導流罩，我國也于70年代開始研究不銹鋼透聲窗材料，這種導流罩的缺點是透聲性能較差，后來采用增強塑料及其復合結構，現在我國普遍采用的是玻璃鋼［2］，這類材料的優點是透聲性能好，但機械強度較差的缺點也相當明顯［3］。上述的導流罩材料，無論是金屬的還是非金屬的，大多采用的是單層結構，其聲性能和機械強度往往難以同時兼顧［4］。俄羅斯以及歐洲一些國家的球鼻首導流罩采用雙層鈦合金結構作為透聲窗，透聲窗形狀較為規則，球鼻首導流罩的底部采用規格尺寸較大的高強度鋼進行設計，國內也對類似的球鼻首導流罩結構形式進行了相關研究工作［5-6］。

根據水面艦船球鼻首聲吶探測范圍要求的不同，有的艦艇對于球鼻首導流罩底部有透聲要求，現有鈦合金球鼻首導流罩不能滿足這種水面艦艇的底部透聲要求。因此，必須設計出新型的球鼻首導流罩，使其既保證其特殊的聲學性能，同時又能夠滿足水動力性能、機械強度要求，還要考慮其經濟性和工程適用性。針對這一特殊要求，本文在現有鈦合金球鼻首導流罩的基礎上提出一種新型球鼻首導流罩結構形式，即錯層式鈦合金球鼻首導流罩。

2 錯層式鈦合金球鼻首結構設計

2.1 錯層式結構的說明

本文中錯層式結構是指由于球鼻首導流罩底部雙層板間距的不同而導致的內殼板局部錯開的一種結構形式。

2.2 基本結構形式

本文提出的錯層式鈦合金球鼻首導流罩結構形式，是在現有鈦合金球鼻首導流罩結構形式的基礎上，對底部區域采用特殊設計而實現的。錯層式鈦合金導流罩結構形式和現有的鈦合金導流罩結構形式在很大程度上是一致的，本文充分借鑒了現有成功的鈦合金球鼻首導流罩結構形式。

鈦合金球鼻首導流罩結構設計主要是根據艦艇艏部線型和球鼻首導流罩的受力特點，以及聲吶設備工作的透聲區域要求，確定球鼻首導流罩鈦合金板格大小和加強筋布置方案。由于砰擊載荷主要作用在球鼻首導流罩底部區域，導致球鼻首底部區域整體作用載荷較大。為保證鈦合金球鼻首導流罩底部區域的結構強度和剛度，避免在海浪中遭受砰擊載荷作用時導致損壞或永久性變形，影響聲吶的正常使用，現有的鈦合金導流罩一律在底部區域采用非透聲的高強度鋼進行設計，并以法蘭與鈦合金部分透聲窗進行連接組成鈦合金導流罩整體結構。采用這種鈦合金球鼻首導流罩結構形式設計的鈦合金球鼻首導流罩底部區域不能有效透聲見圖1、圖2。

要滿足球鼻首導流罩底部的透聲要求，底部的結構必須采用透聲設計，因此同樣需要采用鈦合金材料進行球鼻首導流罩的底部設計。考慮到要保證底部足夠的強度和剛度，因此在進行球鼻首導流罩結構設計時必須選用相對于中上部規格稍大的鈦合金板材做底部外板。根據雙層板透聲理論，不同的板厚針對同一頻段的聲波，要達到相同的透聲效果必須設置不同的雙層板間距，因此本文球鼻首導流罩結構由不同厚度的雙層鈦合金板架組合結構與鈦合金桁架式加強筋結構組成，如圖3所示。

鈦合金桁架式加強筋結構采用徑向筋和水平筋交叉并以斜撐結構與雙層鈦合金板架連接的結構型式。徑向加強筋和水平加強筋以及斜撐的結構設計充分考慮強度要求和對聲波的反射干擾要求，盡量減小構件側面積，采用桁架式結構方案，用不同規格鈦棒的組合來實現桁架式結構設計，如圖4所示。

雙層鈦合金板架結構由雙層鈦合金板和中間的加強筋構成，不同厚度的外殼板焊接時要始終保證外殼板外緣光滑過渡（見圖5），使鈦合金導流罩保持較好流體性能，降低流固耦合引起的局部流體噪聲。不同厚度的雙層鈦合金板架之間采用略大于雙層板間距的方鈦進行連接，以實現不同厚度的雙層鈦合金板架的過度連接，如圖6所示。

2.3 錯層式鈦合金球鼻首導流罩結構形式水密性分析

鈦合金球鼻首導流罩與鋼質主船體是異種材料，不能直接焊接，直接連接易產生電化學腐蝕，目前此類問題均采用法蘭連接型式予以解決，法蘭連接要在法蘭盤之間加襯絕緣墊板，再用雙頭螺栓固定，既能保證結構絕緣，又能解決水密性問題。法蘭連接工藝較為復雜，施工質量是保證水密好壞的關鍵之一，因此可以在進行法蘭連接結構設計時，盡量考慮降低連接工藝的難度。

由圖7可以看出現有的鈦合金球鼻首導流罩底部采用的法蘭均不在一個平面內，必然要采用復雜的工藝解決連接問題。而本文采用的錯層式球鼻首導流罩結構設計形式由于采用全鈦合金設計，從設計上避開了導流罩底部不規則法蘭連接（見圖8），因此可以從根本上提高鈦合金球鼻首導流罩的水密問題。另一個方面，采用錯層式結構設計與現有的常規設計方法相比，連接法蘭長度有了較大減少，經計算，采用錯層式結構設計法蘭長度縮短約35%，因而現場裝配工作量明顯減少，同時也有利于提高球鼻首水密性。

2.4 錯層式鈦合金球鼻首導流罩結構形式經濟性分析

通過計算，采用錯層式鈦合金球鼻首導流罩結構形式的方案，與現有的鈦合金球鼻首導流罩結構形式相比，需增加鈦合金材料約10%，但同時減少密封結構的材料約35%，總體造價增加不到5%。因此從經濟性上考慮，本新型結構形式適用于工程實際。

3 錯層式鈦合金球鼻首結構強度分析

3.1 計算方法

因球鼻首導流罩結構復雜，采用解析法計算難度很大，而且很難滿足結構很多應力點需求解的需求，汪禮思等［7］采用有限元法進行了球鼻首導流罩結構強度計算。

本文采用Patran進行建模，鈦合金殼板采用4節點殼單元模擬，徑向加強筋和水平加強筋用2節點梁單元，斜撐用2節點桿單元模擬，本球鼻首導流罩四周邊界與主船體連接處近似地做全固定處理，模型及邊界條件如圖9、圖10所示。材料屬性為：E ＝1.1×1011，ε ＝0.33。

3.2 計算結果

在模型上分別施加根據規范規定、船體結構和聲吶設備使用要求確定的計算載荷，計算各種載荷下結構的強度，圖11、圖12顯示的是在最大載荷作用下錯層式球鼻首導流罩結構的應力分布情況。計算結果顯示，依據錯層式球鼻首導流罩結構形式設計的結構方案的結構強度滿足規范要求。

4 聲學計算

艦艇球鼻首導流罩的主要服務對象是水聲聲吶，為了使聲吶能更好地發揮作用，要盡可能地降低聲波透射過導流罩的插入損失，實現透聲功能。在聲學原理的研究過程中，發現特定型式的腔體結構和透射聲波會發生共振作用，從而減少透聲損失［8］，雙層板殼結構型式因此而生，內外殼就可以形成聲腔，從而提高其聲學性能。

由于在透聲性上，雙殼間距和板厚、聲吶頻段有著重要的關聯，需對照板厚及使用聲吶的聲波頻率，通過計算，確定合適的透聲雙殼間距，使雙殼形成聲吶頻段的共振聲腔，減少聲波的插入損失，實現導流罩為聲學功效服務的功能。因此，不同的板厚，要實現規定聲波頻率的透聲要求，所對應的板間距是不一樣的，在相同的頻段內不同板厚在同一板間距下，板越薄透聲效果越好，如圖13所示。

聲學性能計算方法可采取解析法和有限元方法，有限元方法是比較成功的數值模擬工具［9］。上世際 90年代初 E verstine和 H ennion等［10-11］用有限元法法研究了聲在一些物質和結構中的傳播特性，國內有不少學者進行了相關研究工作，孫好廣等對采用解析法對水中雙層金屬板的透聲性能進行了研究，孫敏康等［12］運用有限元和邊界元的方法對球鼻首導流罩的聲學性能進行了研究。對于像艦船球鼻首導流罩這樣幾何形狀不規則、物性不均勻、邊界條件和初始條件復雜結構的聲性能計算問題，解析解是很困難的，一般只能運用數值解法。

本文采取有限元法進行分析，計算結果表明：在特定的頻段內，要達到一樣的聲學性能，如果板厚增加，與其所對應的雙殼間距需要增加，才能滿足聲學性能要求（圖14），從而從聲學性能方面驗證了錯層式球鼻首導流罩這一新型結構形式的可行性。

5 結論

通過結構設計、強度分析、聲學性能分析表明：本文提出的錯層式鈦合金球鼻首導流罩結構形式是可行的，與現有的鈦合金導流罩結構形式相比其水密性有較大提高，其結構強度和聲學性能同樣能夠達到設計要求，能夠解決現有球鼻首導流罩底部不能透聲的問題，滿足特殊的聲學性能要求，可適用于設計有特殊透聲要求的球鼻首導流罩結構。

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Staggered Structure Design of Titanium Alloy Fairwater Dome for Bulbous Bow

Jin Wu-lei Zhou Xin-tao Chen Kun-yuan Tu San
China S hip Developmentand Design Center， Wuhan 430064， C hina

In orde r tomeet the special requirementof bulbous bow for acoustic performance， a staggered structure design of t itanium alloy fairwater dome was carried out.This paper presents a basic configuration of such dome and investigates the water－tightness of bonded structure， and the cost－effectiveness of structural design.Finite Element Method was used to check the structural strength and the acoustic performance of the structure was examined.The results demonstrate that this configuration of the fairwater domemeets the needs of acoustic performance on structural design and which satisfies the requirements of sonarworking at special operation condition.

naval ship； bulbous bow； fairwater dome； structural design； acoustic； titanium alloy

U663.5

A

1673－3185（2010）04－32－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.04.007

2009－06-23

中國艦船研究設計中心專項基金（BZJ）

金武雷（1980-），男，碩士，工程師。研究方向：水面艦船結構設計。E-mail：jinwulei@163.com

周心桃（1969-），女，碩士，高級工程師。研究方向：水面艦船結構設計

陳昆淵（1941-），男，研究員。研究方向：水面艦船結構設計