碳纤维复合材料剪刀式折叠坦克冲击桥的设计

何斌　李明彬

摘要：从结构形式、材料选择、连接形式等方面介绍了碳纤维复合材料剪刀式折叠冲击桥的方案设计，并通过有限元分析验证了碳纤维复合材料在剪刀式折叠坦克冲击桥中应用的可能性。

关键词：有限元;冲击桥;碳纤维;复合材料

中图分类号：U441+.2

文献标识码：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.10.063

为了使军用（民用）设备快速通过沟堑、河流等障碍执行既定任务，需要配备应急保障设备。目前国内对小于25 m宽度的沟堑、河流，应急保障设备主要采用（可折叠）的坦克冲击桥。剪刀式折叠冲击桥是将冲击桥立起，然后沿沟堑、河流宽度放下，使用中目标较大，将其立起约10 m高，但架桥车受载小。目前国内的冲击桥（12 - 24 m宽）主要有84式坦克架桥车（平推式折叠桥）、84式重型机械化桥（剪刀式折叠桥）[1]。国内的冲击桥均是采用钢制造和焊接，自身质量大，运输和收起、展开困难，在可行情况下迫切需要减重。

本文主要针对剪刀式折叠坦克冲击桥进行研究，由于剪刀式折叠坦克冲击桥可军民两用，并且对架桥车施加载荷小，因此主要针对该种折叠冲击桥对复合材料设计的可行性进行研究。

1 冲击桥的设计

冲击桥属于坦克/装甲车的车载结构系统，冲击桥的外廓尺寸为24 mx3.6 mx0.54 m（长×宽×高）。

冲击桥单间质量不大于16 t，冲击桥表面应光滑无毛刺。冲击桥主体材料选用碳纤维700系列/环氧树脂材料体系（工字梁、中间加强梁和连接梁），传统的复合材料抗冲击能力差，由冲击载荷确定的设计许用值偏低[2]，因此上下面板采用耐磨硬铝合金。冲击桥主要为工字梁结构，由工字梁、上部面板、下部底板、中间加强梁和连接梁、连接接头组成，各部件之间通过机械连接（螺栓连接）组合而成，冲击桥构件及结构布局如图1、图2所示。

为减轻质量和防腐蚀，所有紧固件（螺栓）的材料均选用钛合金。冲击桥复合材料表面喷涂清漆，采用防静电底漆+面漆。冲击桥金属制件表面处理采用硫酸阳极化方法。

对于冲击桥的质量控制，主要采用低密度、高强度的材料体系，以优化结构，减轻结构质量，并采用先进制造技术，严格控制尺寸公差，提高制造质量，减轻结构质量。冲击桥质量组成如表1所示。

2 有限元分析

坦克质量为50t，按照相关标准，考虑冲击载荷，取冲击系數0.1，则冲击力为5t，考虑1.2倍安全系数，设计载荷为F1.2x（50+5） =66 t，冲击桥金属接头考虑1.15的附加安全系数。利用PATRAN软件对冲击桥进行有限元建模，冲击桥有限元模型如图3所示，主要由上部面板、下部底板、工字梁、中间加强梁及连接梁组成。

冲击桥主题材料碳纤维700系列/环氧树脂的力学性能如表2所示。结构铺层为准各向同性铺层，上下面板选用耐磨7075合金。

约束分别在距两端1m位置简支约束（一端约束123自由度，另一端约束23自由度放开长度方向约束），坦克按照GJB 435-1988中规定的坦克履带尺寸选择加载范围，同时对桥梁本身施加自重。

考虑坦克车队通过冲击桥，按常规坦克间距6m，冲击桥上可同时最多有3辆坦克。冲击桥有限元载荷与边界条件如图4所示。

从有限元结果中提取桥梁最大变形为321 mm，弯曲引起长度自由端向内滑移25.8 mm。最大应力应变均出现在上下面板上，最大应力为142 MPa，材料屈服强度为500 MPa，安全裕度足够，静强度满足要求。坦克冲击桥变形和面板云图如图5、图6所示。

复材最大拉应变为1 820με，最大压应变为-1 470με，复材许用拉应变取5 300με，许用压应变取-3 300με，则拉伸安全裕度MSF5 300/1820 - 1=1.91>0.压缩安全裕度MSc=3 300/1 470 - 1=1.24>0，静强度满足要求。复合材料拉压应变云图如图7所示。

由于屈曲是壁板类制件的主要破坏形式[3]，计算了桥梁的临界失稳载荷系数，为8.5，稳定性安全裕度很大。冲击桥稳定性分析结果如图8所示。

3 结论与思考

从力学和质量角度来说，复合材料结构相对于金属结构主要优势在于比强度高、比刚度较好，同时复合材料结构可以做成整体结构，节省装配质量。

有限元验证表明碳纤维复合材料剪刀式折叠坦克冲击桥满足设计要求，本文设计的冲击桥质量为12.3 t，相较于同规格的冲击桥体现出了减重效果。

参考文献：

[1]张银龙，苟明康，梁川.军用桥梁稳定性设计方法的发展[J].四川兵工学报，2008（2）：62-65.

[2]马元春.缝纫泡沫夹层结构稳定性试验研究[J].科技与创新，2017（ 16）：74-75.

[3]马元春.缝纫泡沫夹层结构屈曲研究[J].科技与创新，2017（ 18）： 48-49.