深海載人平臺框架式穩定翼/舵結構設計

(中國船舶科學研究中心 深海載人裝備國家重點實驗室，江蘇 無錫 214082)

深海載人平臺穩定翼與舵裝置結構型式相似，設計時往往一起考慮。目前關于潛水器或潛艇穩定翼/舵結構設計的相關報道較少，船標[1-2]主要規定了常規潛艇舵裝置的設計要求和舵結構的強度計算方法，并未對如何設計穩定翼/舵結構進行詳細說明；船標[3]規定了舵裝置在潛艇上的安裝技術條件；國軍標[4]規定了常規潛艇及核潛艇穩定翼的計算載荷、及校核控制標準；參考其他的相關研究工作[5-8]，考慮深海載人平臺穩定翼/舵結構在水面會受到嚴酷的波浪砰擊載荷，且有時會掛載輔推進器等設備，設計多種材料、結構形式的框架式穩定翼/舵結構，對比分析各式穩定翼/舵結構的優缺點與適用情況。

1 穩定翼/舵結構材料選擇

1.1 內部框架

在保證足夠的強度和剛度的情況下，穩定翼/舵內部框架結構的重量應盡可能小，即所用材料應具有較高的比強度和比剛度。常用材料有鋁合金、高強度鋼、鈦合金等。

3種金屬材料的力學性能見表1，其中鈦合金的比強度遠大于高強度鋼和鋁合金，比剛度與高強度鋼和鋁合金相當，且鈦合金強度極限與高強度鋼相當、遠大于鋁合金。鈦合金潛艇不僅重量輕，而且可以潛入更大的深度。鈦制潛艇可潛入到4 500 m以下，這是鋼制潛艇無法逾越的界限。

表1 鈦合金與幾種金屬材料的比強度和比剛度

鑒于鈦合金材料的特性優勢[9]，并考慮鈦合金在我國潛艇、深海載人裝備上有應用先例，優先選用鈦合金作為深海載人平臺穩定翼/舵內部框架結構的制造材料。

1.2 外部蒙皮

蒙皮材料對材料性能的要求：高強度比、高剛度比、較好的耐腐蝕性能，且與內部框架材料之間不易發生電化學腐蝕。

外部蒙皮材料可選擇金屬或非金屬材料。鑒于鈦合金的優勢，且為避免與內部框架材料產生電化學腐蝕，金屬蒙皮材料依然優先選取鈦合金。

常用于穩定翼外部蒙皮的非金屬材料有玻璃鋼、碳纖維復合材料等。

綜合比較玻璃鋼、碳纖維復合材料的材料特性[10，11]，認為應根據蒙皮受剪情況選擇使用玻璃鋼或碳纖維復合材料。

1.3 內部浮力材料

穩定翼/舵內部填充浮力材料，用于提供浮力，減輕穩定翼/舵結構水下重量。浮力材料是由空心玻璃微球或其他中空顆粒與聚合物基體經混合、成型、固化而得到的新型的高強度、低密度復合材料，根據需要選用即可。

2 幾種型式的框架式穩定翼/舵結構設計

2.1 全金屬穩定翼/舵結構

以穩定翼結構為例。全金屬穩定翼結構主要由內部框架、外部蒙皮、內部浮力塊組成，內部框架由橫向翼肋、縱向翼梁構成，翼梁和翼肋腹板上開有減重孔，內部浮力塊設計成貼合穩定翼蒙皮線型，對蒙皮起支撐作用，浮力塊通過螺栓與翼梁翼肋腹板連接。內部框架與外部蒙皮均為鈦合金，內部框架僅由腹板組成，無上下緣條，內部框架與外蒙皮之間為焊接。這種穩定翼結構最為簡單，全鈦、全焊接方案強度高、比較可靠，缺點是鈦合金復雜曲面成型難度大，不適用于線型曲面過于復雜的蒙皮。穩定翼結構見圖1。

圖1 穩定翼結構示意

對穩定翼進行傳力分析，穩定翼受到的最直接載荷是作用在蒙皮上的水動力或砰擊載荷，蒙皮將載荷以剪力的形式傳遞給翼梁、翼肋的腹板，翼肋的剪力傳遞給附近的翼梁，與翼梁的剪力匯聚在一起向穩定翼根部傳遞，從翼尖至翼根，剪力呈階梯型增加。剪力在向翼根傳遞的同時，還會產生彎矩與轉矩。彎矩主要由翼梁承受，少部分由蒙皮承受，蒙皮承受的彎矩在根部最終還是會傳遞到翼梁上，全部由翼梁承受。轉矩主要由翼梁、翼肋和蒙皮組成的封閉翼盒以一圈圈剪流的形式向根部傳遞，此時蒙皮、翼梁均受剪力，最終所有的轉矩在根部由翼梁以剪力形式承受。由此可以看出，翼根與艇體連接位置最容易破壞。

2.2 玻璃鋼蒙皮-鈦合金框架穩定翼/舵結構

玻璃鋼蒙皮穩定翼結構主要由玻璃鋼蒙皮、內部鈦合金框架、浮力塊組成，與全鈦合金穩定翼方案的區別在于采用玻璃鋼蒙皮代替鈦合金蒙皮，內部框架結構與浮力塊建造、安裝完成后，直接在框架與浮力塊結構上糊制蒙皮。

采用玻璃鋼蒙皮的優勢是可以制作曲面復雜的蒙皮，降低蒙皮結構的重量，缺點是玻璃鋼蒙皮的剪切性能較弱，在穩定翼結構扭轉載荷較大時容易發生剪切失效，且長期承受波浪砰擊載荷會使玻璃鋼層間開膠。

2.3 碳纖維蒙皮-鈦合金框架穩定翼/舵結構

碳纖維蒙皮穩定翼/舵結構由碳纖維蒙皮、內部鈦合金框架、浮力塊組成，與玻璃鋼蒙皮穩定翼方案的區別在于采用碳纖維復合材料蒙皮代替玻璃鋼蒙皮。相比玻璃鋼蒙皮，碳纖維復合材料蒙皮抗剪切能力更強，可以比玻璃鋼蒙皮承受更大的扭轉載荷，缺點是碳纖維復合材料蒙皮的成本比較高。

2.4 混合材料蒙皮穩定翼/舵結構

鈦合金蒙皮具有優秀的力學性能，但復雜曲面難成型、重量較大；玻璃鋼和碳纖維復合材料蒙皮復雜曲面易成型、重量輕，但材料剪切性能較弱，不適用于承受大扭轉載荷的穩定翼/舵結構。綜合鈦合金與玻璃鋼、碳纖維復合材料的優勢，可將蒙皮分區域使用不同材料制造。上、下蒙皮大面積的主要承力區域線型平緩、曲面簡單，可以使用鈦合金制造，蒙皮前緣、根部過渡區等曲面比較復雜的小面積區域，可以使用玻璃鋼材料制造。混合材料蒙皮穩定翼結構見圖2。

圖2 混合材料蒙皮穩定翼結構示意

2.5 內部框架含上下緣條的穩定翼/舵結構

以上4種穩定翼/舵結構形式的內部框架均不含上、下緣條，但在穩定翼或舵裝置翼型剖面厚度比較小、承受較大的波浪砰擊載荷時，設計的內部框架腹板厚度會超出常規穩定翼/舵結構框架腹板經驗厚度區間。梁的抗彎性能主要取決于梁截面的抗彎模量，梁截面為矩形時，抗彎模量為

W=bh2/6

(1)

式中：h為梁截面高度；b為梁截面厚度。

由式(1)可見，增大梁截面厚度的抗彎效果遠低于增大梁截面高度所帶來的抗彎效果。即應首先考慮能否改變翼型，選用厚度比較大的翼型剖面。距離梁截面中線越遠的部分對慣性矩的貢獻越大，因此，也可以考慮通過設置上下緣條的方法提高翼梁的抗彎性能。適用于穩定翼/舵結構內部框架的緣條截面型式有矩形、L形和T形，其中L形和T形緣條抗彎能力更好。通過設置上下緣條可以大幅降低內部框架的結構重量。缺點是含上下緣條的內部框架與金屬蒙皮之間焊接存在困難，但可以通過緣條預設螺母，通過螺栓對蒙皮進行安裝。內部框架含上下緣條的穩定翼結構見圖3。

圖3 框架含上下緣條的穩定翼框架結構示意

3 強度分析與重量對比

在相同工況下，對全鈦合金結構、玻璃鋼蒙皮-鈦合金框架、碳纖維復材蒙皮-鈦合金框架、內部框架含上下緣條的全鈦合金穩定翼等4種形式結構進行強度分析對比。穩定翼實體模型及有限元網格模型見圖4。

圖4 本文算例實體模型及有限元網格模型

1)載荷。選擇波浪砰擊載荷進行校核，工況取文獻[5]中的四級海況上限，取對應的1/3有義波高(H1/3=2.5 m)的靜水柱壓力，并考慮動載系數(取2.0)，最終砰擊載荷壓力為0.05 MPa。

2)安全系數。鈦合金材料安全系數取1.5[12]，玻璃鋼、碳纖維復合材料的安全系數，尚缺少統一的規范，根據工程經驗并參考文獻[5]，校核時，玻璃鋼、碳纖維復合材料可以等效成各向同性材料，安全系數取3。

3)材料性能。材料屬性見表2。

表2 計算所用材料屬性

幾種框架式穩定翼結構的主要尺寸及重量見表3。需要說明的是，穩定翼翼梁根部有所加厚，且靠近根部的翼肋(以下稱為根肋)相比其他翼肋厚度較大，見圖3。

有限元強度分析應力結果見表4。

由強度校核結果可以看出，玻璃鋼蒙皮的剪切強度不滿足要求，原因是該穩定翼的后掠角較大，導致穩定翼在波浪砰擊載荷下產生較大的扭轉載荷。若要使玻璃鋼蒙皮剪切強度滿足要求，則需對其進行加厚或局部加厚，但會導致其不再具有重量優勢。

表3 幾種框架式穩定翼主要結構的厚度尺寸及重量

對比以上幾種方案的結構重量，可以看出，碳纖維復材蒙皮-鈦合金框架結構重量最輕，內部框架含上下緣條的全鈦合金方案次之，全鈦合金方案的重量最大。

4 優缺點與適用情況

結合以上對幾種框架式穩定翼結構的分析討論，從力學性能、重量、工藝等方面總結各方案的優缺點與適用情況，結果見表5。

表5 幾種框架式穩定翼方案的優缺點與適用情況

5 結論

1)考慮到嚴酷的波浪砰擊載荷，且有時會掛載輔推進器等設備，因此將深海載人平臺穩定翼/舵結構設計成框架式。

2)考慮力學性能、重量與耐腐蝕能力，深海載人平臺穩定翼/舵結構選擇鈦合金作為框架材料，鈦合金、玻璃鋼或碳纖維復合材料作為蒙皮材料。

3)設計的多種形式的穩定翼/舵結構沒有絕對的優劣，應根據實際情況選擇合適的方案。各方案的適用情況為：全鈦合金方案適用于載荷嚴酷、蒙皮曲面簡單、重量要求低的情況；玻璃鋼或碳纖維蒙皮-鈦合金框架方案適用于蒙皮曲面復雜、扭轉載荷較小的情況；混合材料蒙皮適用于載荷嚴酷、蒙皮曲面復雜的情況；內部框架含上下緣條的結構方案適用于翼型剖面厚度比太小的情況。