深海载人平台框架式稳定翼/舵结构设计

(中国船舶科学研究中心 深海载人装备国家重点实验室，江苏 无锡 214082)

深海载人平台稳定翼与舵装置结构型式相似，设计时往往一起考虑。目前关于潜水器或潜艇稳定翼/舵结构设计的相关报道较少，船标[1-2]主要规定了常规潜艇舵装置的设计要求和舵结构的强度计算方法，并未对如何设计稳定翼/舵结构进行详细说明；船标[3]规定了舵装置在潜艇上的安装技术条件；国军标[4]规定了常规潜艇及核潜艇稳定翼的计算载荷、及校核控制标准；参考其他的相关研究工作[5-8]，考虑深海载人平台稳定翼/舵结构在水面会受到严酷的波浪砰击载荷，且有时会挂载辅推进器等设备，设计多种材料、结构形式的框架式稳定翼/舵结构，对比分析各式稳定翼/舵结构的优缺点与适用情况。

1 稳定翼/舵结构材料选择

1.1 内部框架

在保证足够的强度和刚度的情况下，稳定翼/舵内部框架结构的重量应尽可能小，即所用材料应具有较高的比强度和比刚度。常用材料有铝合金、高强度钢、钛合金等。

3种金属材料的力学性能见表1，其中钛合金的比强度远大于高强度钢和铝合金，比刚度与高强度钢和铝合金相当，且钛合金强度极限与高强度钢相当、远大于铝合金。钛合金潜艇不仅重量轻，而且可以潜入更大的深度。钛制潜艇可潜入到4 500 m以下，这是钢制潜艇无法逾越的界限。

表1 钛合金与几种金属材料的比强度和比刚度

鉴于钛合金材料的特性优势[9]，并考虑钛合金在我国潜艇、深海载人装备上有应用先例，优先选用钛合金作为深海载人平台稳定翼/舵内部框架结构的制造材料。

1.2 外部蒙皮

蒙皮材料对材料性能的要求：高强度比、高刚度比、较好的耐腐蚀性能，且与内部框架材料之间不易发生电化学腐蚀。

外部蒙皮材料可选择金属或非金属材料。鉴于钛合金的优势，且为避免与内部框架材料产生电化学腐蚀，金属蒙皮材料依然优先选取钛合金。

常用于稳定翼外部蒙皮的非金属材料有玻璃钢、碳纤维复合材料等。

综合比较玻璃钢、碳纤维复合材料的材料特性[10，11]，认为应根据蒙皮受剪情况选择使用玻璃钢或碳纤维复合材料。

1.3 内部浮力材料

稳定翼/舵内部填充浮力材料，用于提供浮力，减轻稳定翼/舵结构水下重量。浮力材料是由空心玻璃微球或其他中空颗粒与聚合物基体经混合、成型、固化而得到的新型的高强度、低密度复合材料，根据需要选用即可。

2 几种型式的框架式稳定翼/舵结构设计

2.1 全金属稳定翼/舵结构

以稳定翼结构为例。全金属稳定翼结构主要由内部框架、外部蒙皮、内部浮力块组成，内部框架由横向翼肋、纵向翼梁构成，翼梁和翼肋腹板上开有减重孔，内部浮力块设计成贴合稳定翼蒙皮线型，对蒙皮起支撑作用，浮力块通过螺栓与翼梁翼肋腹板连接。内部框架与外部蒙皮均为钛合金，内部框架仅由腹板组成，无上下缘条，内部框架与外蒙皮之间为焊接。这种稳定翼结构最为简单，全钛、全焊接方案强度高、比较可靠，缺点是钛合金复杂曲面成型难度大，不适用于线型曲面过于复杂的蒙皮。稳定翼结构见图1。

图1 稳定翼结构示意

对稳定翼进行传力分析，稳定翼受到的最直接载荷是作用在蒙皮上的水动力或砰击载荷，蒙皮将载荷以剪力的形式传递给翼梁、翼肋的腹板，翼肋的剪力传递给附近的翼梁，与翼梁的剪力汇聚在一起向稳定翼根部传递，从翼尖至翼根，剪力呈阶梯型增加。剪力在向翼根传递的同时，还会产生弯矩与转矩。弯矩主要由翼梁承受，少部分由蒙皮承受，蒙皮承受的弯矩在根部最终还是会传递到翼梁上，全部由翼梁承受。转矩主要由翼梁、翼肋和蒙皮组成的封闭翼盒以一圈圈剪流的形式向根部传递，此时蒙皮、翼梁均受剪力，最终所有的转矩在根部由翼梁以剪力形式承受。由此可以看出，翼根与艇体连接位置最容易破坏。

2.2 玻璃钢蒙皮-钛合金框架稳定翼/舵结构

玻璃钢蒙皮稳定翼结构主要由玻璃钢蒙皮、内部钛合金框架、浮力块组成，与全钛合金稳定翼方案的区别在于采用玻璃钢蒙皮代替钛合金蒙皮，内部框架结构与浮力块建造、安装完成后，直接在框架与浮力块结构上糊制蒙皮。

采用玻璃钢蒙皮的优势是可以制作曲面复杂的蒙皮，降低蒙皮结构的重量，缺点是玻璃钢蒙皮的剪切性能较弱，在稳定翼结构扭转载荷较大时容易发生剪切失效，且长期承受波浪砰击载荷会使玻璃钢层间开胶。

2.3 碳纤维蒙皮-钛合金框架稳定翼/舵结构

碳纤维蒙皮稳定翼/舵结构由碳纤维蒙皮、内部钛合金框架、浮力块组成，与玻璃钢蒙皮稳定翼方案的区别在于采用碳纤维复合材料蒙皮代替玻璃钢蒙皮。相比玻璃钢蒙皮，碳纤维复合材料蒙皮抗剪切能力更强，可以比玻璃钢蒙皮承受更大的扭转载荷，缺点是碳纤维复合材料蒙皮的成本比较高。

2.4 混合材料蒙皮稳定翼/舵结构

钛合金蒙皮具有优秀的力学性能，但复杂曲面难成型、重量较大；玻璃钢和碳纤维复合材料蒙皮复杂曲面易成型、重量轻，但材料剪切性能较弱，不适用于承受大扭转载荷的稳定翼/舵结构。综合钛合金与玻璃钢、碳纤维复合材料的优势，可将蒙皮分区域使用不同材料制造。上、下蒙皮大面积的主要承力区域线型平缓、曲面简单，可以使用钛合金制造，蒙皮前缘、根部过渡区等曲面比较复杂的小面积区域，可以使用玻璃钢材料制造。混合材料蒙皮稳定翼结构见图2。

图2 混合材料蒙皮稳定翼结构示意

2.5 内部框架含上下缘条的稳定翼/舵结构

以上4种稳定翼/舵结构形式的内部框架均不含上、下缘条，但在稳定翼或舵装置翼型剖面厚度比较小、承受较大的波浪砰击载荷时，设计的内部框架腹板厚度会超出常规稳定翼/舵结构框架腹板经验厚度区间。梁的抗弯性能主要取决于梁截面的抗弯模量，梁截面为矩形时，抗弯模量为

W=bh2/6

(1)

式中：h为梁截面高度；b为梁截面厚度。

由式(1)可见，增大梁截面厚度的抗弯效果远低于增大梁截面高度所带来的抗弯效果。即应首先考虑能否改变翼型，选用厚度比较大的翼型剖面。距离梁截面中线越远的部分对惯性矩的贡献越大，因此，也可以考虑通过设置上下缘条的方法提高翼梁的抗弯性能。适用于稳定翼/舵结构内部框架的缘条截面型式有矩形、L形和T形，其中L形和T形缘条抗弯能力更好。通过设置上下缘条可以大幅降低内部框架的结构重量。缺点是含上下缘条的内部框架与金属蒙皮之间焊接存在困难，但可以通过缘条预设螺母，通过螺栓对蒙皮进行安装。内部框架含上下缘条的稳定翼结构见图3。

图3 框架含上下缘条的稳定翼框架结构示意

3 强度分析与重量对比

在相同工况下，对全钛合金结构、玻璃钢蒙皮-钛合金框架、碳纤维复材蒙皮-钛合金框架、内部框架含上下缘条的全钛合金稳定翼等4种形式结构进行强度分析对比。稳定翼实体模型及有限元网格模型见图4。

图4 本文算例实体模型及有限元网格模型

1)载荷。选择波浪砰击载荷进行校核，工况取文献[5]中的四级海况上限，取对应的1/3有义波高(H1/3=2.5 m)的静水柱压力，并考虑动载系数(取2.0)，最终砰击载荷压力为0.05 MPa。

2)安全系数。钛合金材料安全系数取1.5[12]，玻璃钢、碳纤维复合材料的安全系数，尚缺少统一的规范，根据工程经验并参考文献[5]，校核时，玻璃钢、碳纤维复合材料可以等效成各向同性材料，安全系数取3。

3)材料性能。材料属性见表2。

表2 计算所用材料属性

几种框架式稳定翼结构的主要尺寸及重量见表3。需要说明的是，稳定翼翼梁根部有所加厚，且靠近根部的翼肋(以下称为根肋)相比其他翼肋厚度较大，见图3。

有限元强度分析应力结果见表4。

由强度校核结果可以看出，玻璃钢蒙皮的剪切强度不满足要求，原因是该稳定翼的后掠角较大，导致稳定翼在波浪砰击载荷下产生较大的扭转载荷。若要使玻璃钢蒙皮剪切强度满足要求，则需对其进行加厚或局部加厚，但会导致其不再具有重量优势。

表3 几种框架式稳定翼主要结构的厚度尺寸及重量

对比以上几种方案的结构重量，可以看出，碳纤维复材蒙皮-钛合金框架结构重量最轻，内部框架含上下缘条的全钛合金方案次之，全钛合金方案的重量最大。

4 优缺点与适用情况

结合以上对几种框架式稳定翼结构的分析讨论，从力学性能、重量、工艺等方面总结各方案的优缺点与适用情况，结果见表5。

表5 几种框架式稳定翼方案的优缺点与适用情况

5 结论

1)考虑到严酷的波浪砰击载荷，且有时会挂载辅推进器等设备，因此将深海载人平台稳定翼/舵结构设计成框架式。

2)考虑力学性能、重量与耐腐蚀能力，深海载人平台稳定翼/舵结构选择钛合金作为框架材料，钛合金、玻璃钢或碳纤维复合材料作为蒙皮材料。

3)设计的多种形式的稳定翼/舵结构没有绝对的优劣，应根据实际情况选择合适的方案。各方案的适用情况为：全钛合金方案适用于载荷严酷、蒙皮曲面简单、重量要求低的情况；玻璃钢或碳纤维蒙皮-钛合金框架方案适用于蒙皮曲面复杂、扭转载荷较小的情况；混合材料蒙皮适用于载荷严酷、蒙皮曲面复杂的情况；内部框架含上下缘条的结构方案适用于翼型剖面厚度比太小的情况。