基于艦載天線基座開口性能的分析與研究

戴志強

（揚州船用電子儀器研究所，江蘇 揚州 225001）

0 引言

在設備結構件中，間斷的設計往往是不可避免的。但間斷構件在其剖面形狀與尺寸突變處所產生的應力，會在局部范圍內急劇增大，產生應力集中現象。艦載設備因隨船受搖擺振動，受到的應力具有三向交變特征，這種應力的周期變化更易于引起局部裂紋并逐漸擴展。

1 原理分析

1.1 應力集中現象

應力集中是彈性力學［1］中的一類問題。產生于構件開口、拐角、溝槽以及剛度突變處。應力集中會導致脆性材料產生疲勞裂紋以致斷裂。應力的峰值取決于物體的幾何形狀和加載方式。峰值應力通常會超過屈服極限產生應力的重新分配，因此實際的應力峰值一般比理論應力計算峰值低。用應力集中系數k 來表征應力的增強程度，k=σmax/σ 它是峰值應力與忽略應力集中時的應力的比值，恒大于1 同時與載荷的大小無關。

對于尺寸遠大于孔的平板的兩端拉伸情況，可計算圓孔邊緣的k=3；彎曲時，考慮到板厚與圓孔直徑大小，k=1.8～3.0；扭轉時，k=1.6～4.0。

假設在沿船寬方向出現裂縫，此時a/b 值較大，通過表1 中可知裂縫尖端處的應力集中系數相對較大（表1 中d 為平板寬度的一半）。因此，裂縫一經產生，必繼續蔓延擴大，直至結構破壞。若在裂縫尖端鉆一小孔，便可防止裂縫進一步蔓延，故稱為止裂孔。

圖1 孔邊應力分布圖

表1 橢圓孔拉應力集中系數隨a/d 的變化

1.1 角隅應力分析

大開口應力集中的影響因素主要有開口寬度占設備整總寬比、開口長寬比和開口角隅的形狀［2］。

一般設備采用圓弧形角隅的大艙口，根據實船試驗資料，最大應力一般發生在開口縱邊上圓弧終止點內側約成30°角的圓弧邊緣上。角隅圓弧半徑r 與開口寬度之比是影響應力集中的主要因素［3］。

當角隅圓弧半徑r與開口寬度比值小于0.2 時，應力集中系數急劇增大；但當大于0.2時，應力集中系數不再變化，這與光彈性試驗結果也是一致的。若開口角隅設計成橢圓弧或拋物線弧狀，弧形長軸定為船長方向，可以更好地改善應力分布情況，應力集中系數較圓弧形低12%～20%。因此，這兩種形式的角隅不僅結構更合理，而且工藝更簡單。

圖2 大開口示意圖

圖3 應力集中系數理論值與試驗值比較

圖4 角隅局部尺寸優化

橢圓角隅的最佳長短軸之比為3.0～3.5，此時應力集中程度可比相應的圓弧角隅減少23%左右。若角隅處發現有一段裂紋存在，根據斷裂力學原理驗證可知，角隅形狀不影響結構的強度，可通過增加板厚來提高裂紋構件的抗疲勞斷裂強度。不小于300 mm 且不大于600 mm的開口角隅寬度一般不得小于b/10、b/20。

2 仿真較驗

在工件的加工過程中也可能導致應力的改變，如回火不當、電火花線切割加工、受力部位設計疏忽等。

應力集中與材料選取有關，脆性材料構件的應力集中情況會延續到材料的強度極限前，而塑性材料構件，應力集中不與載荷作用下的強度相關。

船用天線基座，作為天線的主要承力部件，一般采用鑄鋁（ZL101A），為脆性材料。既需要克服天線自身的重量，同時還要承受傾覆力矩、風力矩和慣性力矩的作用，因此對于天線基座的力學性能要求較高。

在天線座下部側身處增加開口，便于工人維修，缺點是開口部件有應力集中現象，所以需在孔周邊布置加強筋，對于開口的形式與角隅選擇，需要通過仿真或者計算的方式驗證比對，同時通過合理設置加強筋的方式增加其強度剛度，使之滿足設備承載與沖擊振動要求，為此，進行了強度仿真，模態分析，比較確定開口周邊的加強方式。

2.1 筒身未開口模型

基座仿真驗證模型如圖5、圖6 所示，其中圓筒內徑730 mm，所選材料為鋼。

在基座頂端300 mm 處定義了一個5 t 的質量點作為配重，同時在質量點上定義一個水平1 t的橫向荷載，部件模擬沖擊7g，作用時間為20 ms。有限元網格統一按4 面體10 節點計算。

原始模型筒身沒有應力集中現象，一階頻率44.9 Hz，最大位移0.011 mm。

圖5 原始模型

圖6 原始模型沖擊仿真云圖

2.2 小開口模型

部件模型如圖7 所示，所開小孔內徑為230 mm，同時周邊用翻邊加強筋作防護。

圖7 側身開小孔模型沖擊仿真云圖

模型的最大應力為44.2 MPa，一階頻率42.9 Hz，孔邊最大位移0.023 mm。

2.3 大開口模型

部件模型如圖8 所示，方形孔尺寸為350 mm×550 mm，倒角為150 mm，同時在所開孔的四周分別用加強筋予以固定，角隅的設計按照先前優化的長短軸設計。

圖8 側身開大孔模型沖擊仿真云圖

模型的最大應力為41.4 MPa，一階頻率31.4 Hz，孔邊最大位移0.121 mm。

2.4 仿真比較

如表2，通過對3 個模型的仿真比較發現，開小孔時候的應力集中程度較高些，開大方孔時因角隅處利用了橢圓弧過渡，并未在角隅處有過多應力集中。但開口大小直接影響到結構的剛度，盡管大開口周邊增加了很多加強筋，但一階頻率還是較低，剛度相對較弱。

表2 仿真比較

［1］徐秉業.彈性力學［M］.北京：清華大學出版社，2007 .

［2］于紀軍.船體平板龍骨上不規則開口群應力集中及強度分析報告［J］.船舶，2001（1）：41-44.

［3］趙建華，吳劍國.艦船甲板大開口應力集中的理論分析［J］.華車船舶工業學院學報，1996（4）：15-19.