碳纖維復合材料剪刀式折疊坦克沖擊橋的設計

何斌　李明彬

摘要：從結構形式、材料選擇、連接形式等方面介紹了碳纖維復合材料剪刀式折疊沖擊橋的方案設計，并通過有限元分析驗證了碳纖維復合材料在剪刀式折疊坦克沖擊橋中應用的可能性。

關鍵詞：有限元;沖擊橋;碳纖維;復合材料

中圖分類號：U441+.2

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.10.063

為了使軍用（民用）設備快速通過溝塹、河流等障礙執行既定任務，需要配備應急保障設備。目前國內對小于25 m寬度的溝塹、河流，應急保障設備主要采用（可折疊）的坦克沖擊橋。剪刀式折疊沖擊橋是將沖擊橋立起，然后沿溝塹、河流寬度放下，使用中目標較大，將其立起約10 m高，但架橋車受載小。目前國內的沖擊橋（12 - 24 m寬）主要有84式坦克架橋車（平推式折疊橋）、84式重型機械化橋（剪刀式折疊橋）[1]。國內的沖擊橋均是采用鋼制造和焊接，自身質量大，運輸和收起、展開困難，在可行情況下迫切需要減重。

本文主要針對剪刀式折疊坦克沖擊橋進行研究，由于剪刀式折疊坦克沖擊橋可軍民兩用，并且對架橋車施加載荷小，因此主要針對該種折疊沖擊橋對復合材料設計的可行性進行研究。

1 沖擊橋的設計

沖擊橋屬于坦克/裝甲車的車載結構系統，沖擊橋的外廓尺寸為24 mx3.6 mx0.54 m（長×寬×高）。

沖擊橋單間質量不大于16 t，沖擊橋表面應光滑無毛刺。沖擊橋主體材料選用碳纖維700系列/環氧樹脂材料體系（工字梁、中間加強梁和連接梁），傳統的復合材料抗沖擊能力差，由沖擊載荷確定的設計許用值偏低[2]，因此上下面板采用耐磨硬鋁合金。沖擊橋主要為工字梁結構，由工字梁、上部面板、下部底板、中間加強梁和連接梁、連接接頭組成，各部件之間通過機械連接（螺栓連接）組合而成，沖擊橋構件及結構布局如圖1、圖2所示。

為減輕質量和防腐蝕，所有緊固件（螺栓）的材料均選用鈦合金。沖擊橋復合材料表面噴涂清漆，采用防靜電底漆+面漆。沖擊橋金屬制件表面處理采用硫酸陽極化方法。

對于沖擊橋的質量控制，主要采用低密度、高強度的材料體系，以優化結構，減輕結構質量，并采用先進制造技術，嚴格控制尺寸公差，提高制造質量，減輕結構質量。沖擊橋質量組成如表1所示。

2 有限元分析

坦克質量為50t，按照相關標準，考慮沖擊載荷，取沖擊系數0.1，則沖擊力為5t，考慮1.2倍安全系數，設計載荷為F1.2x（50+5） =66 t，沖擊橋金屬接頭考慮1.15的附加安全系數。利用PATRAN軟件對沖擊橋進行有限元建模，沖擊橋有限元模型如圖3所示，主要由上部面板、下部底板、工字梁、中間加強梁及連接梁組成。

沖擊橋主題材料碳纖維700系列/環氧樹脂的力學性能如表2所示。結構鋪層為準各向同性鋪層，上下面板選用耐磨7075合金。

約束分別在距兩端1m位置簡支約束（一端約束123自由度，另一端約束23自由度放開長度方向約束），坦克按照GJB 435-1988中規定的坦克履帶尺寸選擇加載范圍，同時對橋梁本身施加自重。

考慮坦克車隊通過沖擊橋，按常規坦克間距6m，沖擊橋上可同時最多有3輛坦克。沖擊橋有限元載荷與邊界條件如圖4所示。

從有限元結果中提取橋梁最大變形為321 mm，彎曲引起長度自由端向內滑移25.8 mm。最大應力應變均出現在上下面板上，最大應力為142 MPa，材料屈服強度為500 MPa，安全裕度足夠，靜強度滿足要求。坦克沖擊橋變形和面板云圖如圖5、圖6所示。

復材最大拉應變為1 820με，最大壓應變為-1 470με，復材許用拉應變取5 300με，許用壓應變取-3 300με，則拉伸安全裕度MSF5 300/1820 - 1=1.91>0.壓縮安全裕度MSc=3 300/1 470 - 1=1.24>0，靜強度滿足要求。復合材料拉壓應變云圖如圖7所示。

由于屈曲是壁板類制件的主要破壞形式[3]，計算了橋梁的臨界失穩載荷系數，為8.5，穩定性安全裕度很大。沖擊橋穩定性分析結果如圖8所示。

3 結論與思考

從力學和質量角度來說，復合材料結構相對于金屬結構主要優勢在于比強度高、比剛度較好，同時復合材料結構可以做成整體結構，節省裝配質量。

有限元驗證表明碳纖維復合材料剪刀式折疊坦克沖擊橋滿足設計要求，本文設計的沖擊橋質量為12.3 t，相較于同規格的沖擊橋體現出了減重效果。

參考文獻：

[1]張銀龍，茍明康，梁川.軍用橋梁穩定性設計方法的發展[J].四川兵工學報，2008（2）：62-65.

[2]馬元春.縫紉泡沫夾層結構穩定性試驗研究[J].科技與創新，2017（ 16）：74-75.

[3]馬元春.縫紉泡沫夾層結構屈曲研究[J].科技與創新，2017（ 18）： 48-49.