基于舰载天线基座开口性能的分析与研究

戴志强

（扬州船用电子仪器研究所，江苏 扬州 225001）

0 引言

在设备结构件中，间断的设计往往是不可避免的。但间断构件在其剖面形状与尺寸突变处所产生的应力，会在局部范围内急剧增大，产生应力集中现象。舰载设备因随船受摇摆振动，受到的应力具有三向交变特征，这种应力的周期变化更易于引起局部裂纹并逐渐扩展。

1 原理分析

1.1 应力集中现象

应力集中是弹性力学［1］中的一类问题。产生于构件开口、拐角、沟槽以及刚度突变处。应力集中会导致脆性材料产生疲劳裂纹以致断裂。应力的峰值取决于物体的几何形状和加载方式。峰值应力通常会超过屈服极限产生应力的重新分配，因此实际的应力峰值一般比理论应力计算峰值低。用应力集中系数k 来表征应力的增强程度，k=σmax/σ 它是峰值应力与忽略应力集中时的应力的比值，恒大于1 同时与载荷的大小无关。

对于尺寸远大于孔的平板的两端拉伸情况，可计算圆孔边缘的k=3；弯曲时，考虑到板厚与圆孔直径大小，k=1.8～3.0；扭转时，k=1.6～4.0。

假设在沿船宽方向出现裂缝，此时a/b 值较大，通过表1 中可知裂缝尖端处的应力集中系数相对较大（表1 中d 为平板宽度的一半）。因此，裂缝一经产生，必继续蔓延扩大，直至结构破坏。若在裂缝尖端钻一小孔，便可防止裂缝进一步蔓延，故称为止裂孔。

图1 孔边应力分布图

表1 椭圆孔拉应力集中系数随a/d 的变化

1.1 角隅应力分析

大开口应力集中的影响因素主要有开口宽度占设备整总宽比、开口长宽比和开口角隅的形状［2］。

一般设备采用圆弧形角隅的大舱口，根据实船试验资料，最大应力一般发生在开口纵边上圆弧终止点内侧约成30°角的圆弧边缘上。角隅圆弧半径r 与开口宽度之比是影响应力集中的主要因素［3］。

当角隅圆弧半径r与开口宽度比值小于0.2 时，应力集中系数急剧增大；但当大于0.2时，应力集中系数不再变化，这与光弹性试验结果也是一致的。若开口角隅设计成椭圆弧或抛物线弧状，弧形长轴定为船长方向，可以更好地改善应力分布情况，应力集中系数较圆弧形低12%～20%。因此，这两种形式的角隅不仅结构更合理，而且工艺更简单。

图2 大开口示意图

图3 应力集中系数理论值与试验值比较

图4 角隅局部尺寸优化

椭圆角隅的最佳长短轴之比为3.0～3.5，此时应力集中程度可比相应的圆弧角隅减少23%左右。若角隅处发现有一段裂纹存在，根据断裂力学原理验证可知，角隅形状不影响结构的强度，可通过增加板厚来提高裂纹构件的抗疲劳断裂强度。不小于300 mm 且不大于600 mm的开口角隅宽度一般不得小于b/10、b/20。

2 仿真较验

在工件的加工过程中也可能导致应力的改变，如回火不当、电火花线切割加工、受力部位设计疏忽等。

应力集中与材料选取有关，脆性材料构件的应力集中情况会延续到材料的强度极限前，而塑性材料构件，应力集中不与载荷作用下的强度相关。

船用天线基座，作为天线的主要承力部件，一般采用铸铝（ZL101A），为脆性材料。既需要克服天线自身的重量，同时还要承受倾覆力矩、风力矩和惯性力矩的作用，因此对于天线基座的力学性能要求较高。

在天线座下部侧身处增加开口，便于工人维修，缺点是开口部件有应力集中现象，所以需在孔周边布置加强筋，对于开口的形式与角隅选择，需要通过仿真或者计算的方式验证比对，同时通过合理设置加强筋的方式增加其强度刚度，使之满足设备承载与冲击振动要求，为此，进行了强度仿真，模态分析，比较确定开口周边的加强方式。

2.1 筒身未开口模型

基座仿真验证模型如图5、图6 所示，其中圆筒内径730 mm，所选材料为钢。

在基座顶端300 mm 处定义了一个5 t 的质量点作为配重，同时在质量点上定义一个水平1 t的横向荷载，部件模拟冲击7g，作用时间为20 ms。有限元网格统一按4 面体10 节点计算。

原始模型筒身没有应力集中现象，一阶频率44.9 Hz，最大位移0.011 mm。

图5 原始模型

图6 原始模型冲击仿真云图

2.2 小开口模型

部件模型如图7 所示，所开小孔内径为230 mm，同时周边用翻边加强筋作防护。

图7 侧身开小孔模型冲击仿真云图

模型的最大应力为44.2 MPa，一阶频率42.9 Hz，孔边最大位移0.023 mm。

2.3 大开口模型

部件模型如图8 所示，方形孔尺寸为350 mm×550 mm，倒角为150 mm，同时在所开孔的四周分别用加强筋予以固定，角隅的设计按照先前优化的长短轴设计。

图8 侧身开大孔模型冲击仿真云图

模型的最大应力为41.4 MPa，一阶频率31.4 Hz，孔边最大位移0.121 mm。

2.4 仿真比较

如表2，通过对3 个模型的仿真比较发现，开小孔时候的应力集中程度较高些，开大方孔时因角隅处利用了椭圆弧过渡，并未在角隅处有过多应力集中。但开口大小直接影响到结构的刚度，尽管大开口周边增加了很多加强筋，但一阶频率还是较低，刚度相对较弱。

表2 仿真比较

［1］徐秉业.弹性力学［M］.北京：清华大学出版社，2007 .

［2］于纪军.船体平板龙骨上不规则开口群应力集中及强度分析报告［J］.船舶，2001（1）：41-44.

［3］赵建华，吴剑国.舰船甲板大开口应力集中的理论分析［J］.华车船舶工业学院学报，1996（4）：15-19.