復合材料桅桿應力分布特性及其極限載荷研究

吳超 程曉達 任少飛 白兆宏

（哈爾濱工程大學船舶工程學院 哈爾濱 150001）

復合材料桅桿應力分布特性及其極限載荷研究

吳超 程曉達 任少飛 白兆宏

（哈爾濱工程大學船舶工程學院 哈爾濱 150001）

桅桿；復合材料；應力分布；極限載荷

船用復合材料桅桿采用新穎的八邊形筒形結構，復合材料夾層板對于桅桿來說也是一種創新探索，對其應力分布特性和極限載荷的研究具有實際意義。通過力學分析，給出了桅桿在真實環境中所受到的三種載荷具體形式，并采用流體動力學方法，模擬出三種載荷共同作用下復合材料結構的受力響應情況，由此得到其應力分布規律。再通過大量計算得到不同蒙皮和芯材厚度下膠層應力隨風速變化曲線，由此得到該種復合材料夾層結構在常用厚度范圍內的極限載荷統計規律，以供參考。

0 引言

現代科技條件下的海戰中，水面艦船的偵查能力和隱身性能是成敗關鍵。為此，復合材料桅桿應運而生。復合材料桅桿相比傳統意義的桅桿結構更簡單緊湊，材料性質優良，這都利于提高水面艦船的隱身性［1］。然而作為一種新的桅桿形式，在正式配備之前，結構本身的諸多性質有待于進一步的探討。頂部復合材料雷達罩部分的應力分布特性研究及其材料的極限載荷范圍對于這種結構的設計和應用都有切實的參考價值。

1 結構形式

本文所研究的復合材料桅桿主體采用傳統鋼結構保證強度，桅桿頂部為復合材料罩體結構，高度為1m。此雷達罩結構各側壁板無加強筋，在安裝有雷達天線處的側壁板布置適當大小的復合材料夾層板，以滿足雷達信號傳輸要求［2，3］。其典型結構形式如圖1所示。

圖1 綜合集成桅桿及底部部分艙段結構圖

桅桿雷達罩體部分所采用的復合材料內部為對稱的夾層板結構，由玻璃鋼蒙皮、膠層和蜂窩狀芯材三部分組成。輕質的蜂窩狀材料和雙層玻璃鋼材料相結合，既保證了結構具有了一定抗沖擊強度，又利于對信號的良好通透性，其具體結構如圖2所示［4，5］。

圖2 復合材料夾層板結構圖

2 載荷確定

準確分析復合材料桅桿應力特性分布，載荷的確定是其中的基礎性關鍵。當船舶在風浪中航行時，作用在桅桿上的載荷主要有：結構及其設備的重力、船舶搖擺時所引起的慣性力，以及風載荷。橫搖和縱搖是艦船在風浪中航行時最主要的運動形式，這兩種情況下桅桿結構所受到三種載荷同時作用的合力及風壓對應以下表達式：

橫搖：

縱搖：

其中R為艦船重心軌跡半徑：

參數：C1=0.64B/Tφ2，C2=0.64T/Tφ2上述式中：

M為自身及設備質量，t；

Fxx為重心處縱向水平力，kN；

Fyy為重心處橫向水平力，kN；

Fzz為重心處垂向水平力，kN；

Tφ為靜水橫搖周期，s；

Tθ為靜水縱搖周期，s；

DX、DY為X、Y方向風力，kN；

AYZ為受風面在YZ平面上的投影，m2；PW為風壓，kPa；

θmax為最大縱搖計算角，°；

φmax為最大橫搖計算角，°；

X、Y、Z為結構及設備裝置重心至艦艇重心距離，m。

3 應力分布特性研究

本節利用流體動力學算法，將重力與慣性力同時施加于雷達罩結構的有限元模型上，研究在三種載荷的共同作用下，頂部復合材料雷達罩結構的應力分布特點。這里雷達罩夾層結構蒙皮和芯材厚度分別為0.1mm、10mm，膠層厚度取為0.1mm，取風速為10 m/s、20 m/s、30m/s、40 m/s四種工況分別進行計算。結果顯示不同風速下的應力分布趨勢大致相同。取風速為10m/s工況結果如圖3~5所示：

圖3 蒙皮應力云圖

圖4 膠層應力云圖

圖5 芯材應力云圖

由應力云圖可見，蒙皮、芯材及膠層的各向應力垂向分布特點基本相同。由于結構內部沒有加強結構，最大應力主要集中在各側壁板的中部位置。

相比同一側面應力的垂向分布，同一高度上各側面應力的周向分布則更為復雜。取不同側面高度方向上中線處，不同風速時三種載荷共同作用下的應力平均值，繪制曲線對比分析，得到應力周向分布規律，如圖6~8所示。

根據以上各曲線圖，復合材料雷達罩的三層材料中，蒙皮層應力峰值最大，風速40 m/s時達到了10 MPa；膠層應力最大峰值相對較小，達到7 MPa。不同層次材料應力峰值主要集中在側流面處，迎、背流面則相對較小，其中膠層沿周向應力分布較為均勻，而芯材的分布則顯得十分突兀，迎流面和側流面峰值尤其明顯。值得注意的是，各側面同一高度上，不僅在中心出現應力峰值，板間接縫處出現的峰值甚至要大于中心點處應力，這一點在蒙皮層體現的尤為突出。強度設計中需要重點留意。

圖6 蒙皮壓應力周向分布

圖7 膠層應力周向分布

圖8 芯材應力周向分布

4 極限載荷研究

本文以某型船為背景，研究復合材料雷達罩的極限載荷應力。在最大橫縱搖角的條件下，復合材料雷達罩結構所受的重力與慣性力的合加速度大小如下：

式中：ax、ay、az分別代表沿船長度、寬度及高度方向上的加速度。

根據之前的風載算法，風速從10~100m/s之間取整十數，計算得到脈動風壓極值。將10種風速條件下所得到的脈動風壓最大極值加載于復合材料雷達罩，取雷達罩蒙皮厚度變化范圍為0.1~1mm，芯材厚度變化范圍為10~30mm，膠層厚度取0.1mm。

對于復合材料夾層板結構來說，其內膠層的失效是導致其破壞的根本原因［6］。因此內膠層應力的大小是判別雷達罩是否破壞的最根本標準。

本文通過給出不同蒙皮和芯材厚度下膠層應力隨風速變化曲線，據此來判別該種復合材料夾層結構雷達罩在各種常用厚度范圍內受到的極限載荷，如圖9~11所示，t為蒙皮厚度。

圖9 不同蒙皮厚度下膠層應力隨風速變化（芯材10mm）

圖10 不同蒙皮厚度下膠層應力隨風速變化（芯材20mm）

圖11 不同蒙皮厚度下膠層應力隨風速變化（芯材30mm）

圖中所示，不同蒙皮和芯材厚度下膠層應力值隨風速增大而逐漸增大，隨蒙皮厚度增加而減小，隨芯材厚度增加也相應減小，可見蒙皮厚度的增加一定程度上分擔了載荷量。根據不同材質膠層的極限強度，便可知膠層是否破壞，以及結構是否安全。

5 結語

本文闡述了復合材料桅桿所受的三種主要載荷形式，即結構及其設備重力、船體搖蕩引起的慣性力及風載荷。通過有限元方法建立模型，基于數值模擬技術，同時施加三種載荷，研究了不同風速條件下的復合材料桅桿特別是雷達罩部分的應力分布特性，可全面了解復合材料雷達罩體的整體受力特點。結果顯示，各側面同一高度上，不僅在中心出現應力峰值，板間接縫處出現的峰值甚至要大于中心點處應力。

本文后半部分則通過較詳盡地計算給出了蒙皮與芯材在常用厚度范圍內，膠層應力隨風速變化的應力變化曲線，據此判別該種復合材料夾層結構雷達罩在各種常用厚度范圍內的極限載荷。所依據的船型有一定代表性，計算結果有一定的實際參考價值。

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Research on stress distribution and extreme load of com posite mast

WU Chao CHENG Xiao-da REN Shao-fei BAI Zhao-hong
（College of Ship Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

mast；composite；stress distribution；extreme load

Octagonal section is novelty in design of composite mast，and composite sandwich plate is also an innovation.The study on stress distribution characteristics and extreme load of the mast is practical.In this paper，equations of three types of load in real environment are presented through mechanical analysis.With hydrodynamic methods，stress responses of composite structure under multi-loads are simulated；therefore the stress distribution law is obtained.The stress curves of glue layer in different thickness of coating and core material with accordance to wind velocity have been calculated，so as to find the extreme load statistic law of composite sandwich structure within usual thickness range.

U663.6

A

1001-9855（2011）06-0046-04

2011-05-26

吳超（1986-），男，漢族，碩士研究生，研究方向：船體結構性能與安全性。

程曉達（1988-），男，漢族，碩士研究生，研究方向：船體結構性能與安全性。

任少飛（1986-），男，漢族，碩士研究生，研究方向：船體結構性能與安全性。

白兆宏（1986-），男，漢族，碩士研究生，研究方向：船體結構性能與安全性。