中型氣墊船導管槳靜力特性及穩定性分析

熊宇超，陳清良，蔣建軍，甘國龍，王芳麗，童明波

(1.航空工業成都飛機工業（集團）有限責任公司，四川 成都 610092；2.金陵科技學院 機電學院，江蘇 南京 211169；3.南京航空航天大學 航空學院，江蘇 南京 210016)

0 引 言

氣墊船是一種高性能船舶，在客流運輸、搶險救災和搶灘登陸等領域具有十分廣泛的應用。導管槳全稱為導管螺旋槳組合裝置，是全墊升氣墊船的推力裝置，也是船體不可或缺的組成部分。

近年來，國外學者對導管槳相關技術開展了不少研究。Allison 等[1]指出中型導管和大型導管存在的共同特點以及相互不可替代性。 BI 等[2]評估一種具有代表性導管槳的氣動性能。Rosenfeld 等[3-4]分別通過仿真模擬和縮比試驗研究了氣墊船甲板結構和導管槳的空氣動力學特性和阻塞效應。美國新一代氣墊登陸艇SSC 的導管槳設計方案中，大量使用復合材料，體現了復合材料在艦艇上的未來運用趨勢[5]。

國內的研究起步并不晚，但導管槳的技術發展仍主要集中于總體設計方法、局部結構和發展現狀研究。中船708 研究所是我國氣墊船的主要研究單位，近年來分別從氣墊船技術發展[6]、導管槳設計技術[7–9]和脈動載荷預報方法[10]等方面進行了研究。李中楊[11]對氣墊船導管槳的推力與支架應力相關性開展了有限元分析，并提出了初步的導管支架動態應力測試方案。黃婭琳[12]對大型氣墊船的導管支撐開展了局部優化設計研究。

目前，國內研究聚焦于氣墊船導管槳的局部結構和氣動載荷，但目前尚不具備成熟的導管槳設計標準，也缺乏對導管槳的整體結構強度以及屈曲失穩的研究，更加凸顯出對導管槳開展靜力和穩定性分析的重要性。本文從工程問題出發，以某中型氣墊船的導管槳為研究對象，開展應力分布與位移變形為主的靜力特性分析及屈曲失穩研究，得到結構薄弱區域，可為結構改型優化提供參考。

1 結構概述

1.1 結構分析

導管槳，全稱為導管螺旋槳組合裝置，是氣墊船的推力裝置。以某中型氣墊船導管槳為研究對象，該結構屬于薄壁長桁結構，與飛機機身類似，由內外蒙皮、環形框、翼型梁、蒙皮、前后支撐、前后基座和軸系組成。轉軸上布置有推力軸承裝置、空氣螺旋槳和分油裝置。導管槳不僅為軸系部件提供支撐和接口，還維持流場通道的幾何形狀，使其內涵道產生氣動推力。導管槳通過前側拉桿和基座等支持結構將各種載荷有效傳遞至船體甲板。與此同時，導管槳能夠對船上乘員起到保護作用，并有效降低工作噪聲。

1.2 傳力分析

導管槳主要承受由空氣螺旋槳產生的推力和導管本體的推力和側向力，并將承載的載荷傳遞至氣墊船甲板上。導管本體的推力來源于導管內外蒙皮法向壓力和脈動壓力，2 種壓力的軸向投影就是導管本體的推力。導管本體的側向力則是由導管后側空氣舵傳遞至舵承。經受力分析，路線1～路線3 是空氣螺旋槳推力的傳力路線，路線4～路線6 是導管本體推力和側向力的傳力路線，具體如下：

路線1 前支撐→導管本體→側拉桿→船體甲板；

路線2 前支撐→導管本體→導管基座→船體甲板；

路線3 前支撐→前拉桿→船體甲板；

路線4 導管本體→前支撐→前拉桿→船體甲板；

路線5 導管本體→導管基座→船體甲板；

路線6 導管本體→側拉桿→船體甲板。

1.3 材料性能

導管槳結構既需滿足一定的防腐蝕要求，又需具備良好的焊接性能，因而采用防銹鋁合金5 083 在內的5 種金屬材料，部分主要承力結構選用了強度較高的不銹鋼材料。導管槳的材料性能如表1 所示。

表1 材料性能Tab.1 Material properties

2 有限元建模

2.1 模型簡化

不同于常規中大型船舶使用的焊接工藝，導管槳零部件之間連接方式大多采用鉚釘連接和螺栓連接，尤其是蒙皮同梁和框的鉚接，屬于密集型鉚接，鉚釘數量極大。建立實體釘的方法模擬鉚釘和螺栓，涉及大量接觸建模，這樣不僅計算量太大，而且易導致模型計算不收斂。蒙皮通過鉚釘與框梁的緣條連接。在模型簡化的過程中，鉚釘連接處簡化為共節點處理。框的腹板與外蒙皮采用共節點的方式連接；框上的緣條采用梁單元進行模擬，如圖2 所示。

2.2 網格劃分

圖3 為導管槳網格劃分圖。導管槳結構中的各部位蒙皮、環形框和翼型梁主要采用四節點四邊形殼單元，盡可能少的采用三角形殼單元用于過渡；前拉桿、側拉桿和L 型框皆根據實際截面情況，采用梁單元劃分；后支撐后梁采用六面體實體單元劃分，并與殼單元連接處采用共節點連接。同時，通過將質量點耦合至相應位置，模擬推力軸承、槳轂、空氣螺旋槳和分油裝置等軸系部件的質量，保證總質量誤差不超過0.5%。

2.3 邊界條件

導管槳的前拉桿、側拉桿和基座通過螺栓連接的方式和船體甲板連接。導管槳的邊界條件，約束基座和拉桿固定處的平動自由度，如圖4 所示。

2.4 載荷條件

設計輸入載荷包括空氣螺旋槳推力P1、定常壓力P21、脈動壓力P22、舵承側向力P4和導管側向力P5等5 種形式。空氣螺旋槳推力和舵承側向力均通過集中力的方式加載，并耦合至相應區域；導管側向力、定常壓力和脈動壓力均通過分布載荷的形式加載。以分布載荷形式加載的載荷均通過設計要求中的關于軸向位置的壓力分布而產生，如圖5 所示。

2.5 過載加速度

過載加速度分為正常狀態和極限狀態，WX代表沿X軸正向的正常狀態過載，LWX代表沿X軸正向的極限狀態過載，如表2 所示。其中，g 的單位為m/s2。

表2 過載加速度Tab.2 Over-loading acceleration

3 靜力特性分析

3.1 工況組合

為研究不同載荷狀態下的導管槳靜力特性，選取8 種工況組合作為典型工況。工況1～工況4 和工況5～工況8 分別為正常和極限工況，如表3 所示。

表3 工況組合Tab.3 Condition combinations

3.2 強度分析

導管槳本體的應力水平較低，為使應力分布更加清晰，分別展示導管槳的前拉桿及其接頭與其余部分，并將梁單元截面的比例因子設置為0.35。圖6 和圖7 為導管槳工況4 和工況6 的應力云圖。前拉桿及其接頭與導管槳前軸套連接，直接承載空氣螺旋槳的推力，因此前拉桿與接頭的連接區域形成了明顯的應力集中，是整個結構中應力水平最高的區域，也是結構的薄弱區域所在。前支撐蒙皮在傳力路線上發揮著傳遞空氣螺旋槳推力的重要作用，其應力也在整體結構中呈較高的水平。同時，梁腹板和框腹板等主要承載結構的應力水平較高，而內外蒙皮、基座和側拉桿等的應力水平則相對較低。與工況4 相比，無側向載荷作用的工況6 應力呈現對稱分布，在Y負向的極限過載作用下，前拉桿及其接頭和下側前支撐蒙皮應力水平顯著提升。8 種工況下所有部件應力均小于對應的材料許用應力值，導管槳整體結構強度符合工程使用條件。

各工況米塞斯應力最大值及區域如表4 所示，應力集中區域皆位于前拉桿與接頭連接區域。

表4 最大米塞斯應力及區域Tab.4 Maximum Mises stress and area

3.3 不同蒙皮壓力對部件應力水平的影響分析

為研究不同蒙皮壓力對部件應力水平的影響，選取相鄰工況兩兩進行比較。相鄰工況僅蒙皮受載不同，以橫坐標的形式進行呈現，對應工況的米塞斯應力以縱坐標的形式進行呈現，如圖8 所示。由此可知，外蒙皮、內蒙皮、框腹板、梁腹板、前支撐蒙皮和前拉桿的應力水平相近，米塞斯應力值均相差在5 MPa 以內，受導管槳蒙皮不同壓力的影響較小。各部件的工況比對中，因不同載荷組合和復雜的傳力路線未呈現出分布規律，但可看出部件多數工況下法向脈動壓力作用下的應力水平略高，僅外蒙皮工況5 和工況6、內蒙皮與梁腹板工況1 和工況2、工況3 和工況4 及工況7 和工況8 的法向定常壓力作用下的應力水平略高于法向脈動壓力作用下。

3.4 位移分析

表5 為導管槳各工況下最大位移量及區域，圖9為導管槳工況1 和工況6 的位移云圖。由于導管槳的底部受到前拉桿、側拉桿和基座的約束作用，各個工況的位移量均位于導管槳上半部分。除工況5 和工況6以外，其余工況的導管槳整體呈現Y軸負方向和X正方向的位移，上半部分位移量達到了3 mm 以上，且位移最大區域位于航左上舵承連接區域，最大位移量7.123 mm 出現于工況7。而由于工況5 和工況6 沒有側向過載、舵承側向力和導管側向力的作用，整體位移僅呈現Y軸負方向的位移，且位移呈現對稱分布，最大位移量3.206 mm 出現于工況6。由此可知，側向過載、舵承側向力和導管側向力是導管槳結構產生較大位移的重要因素。

表5 最大位移量及區域Tab.5 Maximum displacement and area

4 穩定性分析

4.1 分析方法

穩定性分析具有重要意義，通過線性屈曲計算，可判斷導管槳結構是否會發生屈曲，同時可獲取結構發生屈曲的臨界載荷以及區域。

通過設計載荷和臨界載荷大小比較，評判導管槳結構是否發生屈曲，并引入失穩臨界載荷系數來加以評判，可表達為：

式中：Pcr為屈曲失穩臨界載荷；Psj為結構設計輸入載荷。當 λ >1時，可判斷導管槳結構未發生失穩。

4.2 屈曲穩定性分析

采用Abaqus 軟件的屈曲模塊，開展屈曲穩定性分析。在特征值屈曲分析中，取第1 次的正特征值為臨界失穩載荷系數，而施加的設計載荷與臨界失穩載荷系數的乘積為屈曲失穩臨界載荷。通過分析得到各工況第1 次的正特征值，如表6 所示。圖10 為工況1 出現第1 次的正特征值時的屈曲云圖。航左下舵承區域附近的蒙皮出現變形，也是屈曲變形的薄弱區域。當在2.023 4 倍的設計載荷作用下，導管槳結構會在該區域最先發生失穩。而所有工況均為 λ >1 ，可判斷導管槳結構不會發生屈曲失穩。

表6 屈曲失穩臨界系數Tab.6 Maximum displacement and area

圖1 導管槳示意圖Fig.1 Schematic diagram of ducted air propeller

圖2 鉚釘連接簡化示意圖Fig.2 Rivet connection simplification schematic diagram

圖3 網格劃分圖Fig.3 Meshing diagram

圖4 邊界條件Fig.4 Boundary condition

圖6 工況4 應力云圖Fig.6 Stress cloud diagram of condition 4

圖7 工況6 應力云圖Fig.7 Stress cloud diagram of condition 6

圖8 不同蒙皮壓力下應力數值Fig.8 Stress values under different skin pressures

圖9 位移云圖Fig.9 Displacement cloud diagram

圖10 工況1 屈曲云圖Fig.10 Buckling cloud diagram of condition 1

5 結 語

本文針對導管槳結構，建立有限元模型，分析其靜力特性和穩定性，得到如下結論：

1）導管槳各工況下的應力水平最高區域均位于前拉桿及其接頭的連接區域。

2）不同蒙皮壓力對導管槳主要部件的應力水平影響較小。

3）當無側向力和側向過載時，導管槳主要呈現沿Y軸負方向的對稱位移分布；當有側向力和側向過載時，導管槳主要呈現沿Y軸負方向和X軸方向的位移。

4）導管槳結構在設計載荷下的臨界失穩載荷系數均大于1，即不會發生屈曲失穩。

5）由靜力特性分析和穩定性分析得到了導管槳結構的薄弱區域，為后續優化結構提供參考。