深海變口徑碳纖維復合材料適配器結構與安全設計

張煒權 ,潘 陽 ,李開福 ,楊弓熠 ,賈國濤 ,武海鵬

(1.中國船舶集團有限公司 第705 研究所昆明分部,云南 昆明,650032;2.哈爾濱玻璃鋼研究院,黑龍江 哈爾濱,150028)

0 引言

適配器已被廣泛應用于艦載導彈垂直發射技術中,多采用預壓縮方式適配導彈與發射筒[1-3],而在水下發射平臺中的應用相對缺乏。某型水下平臺搭載了大型和中型口徑發射裝置,但受限于艙內緊湊空間,未布置艙內小口徑發射裝置,缺乏艙內發射小口徑器材的能力,為滿足該需求,文中提出了一種碳纖維復合材料變口徑適配器結構,并詳細開展適配器設計研究。

首先,需在強尺寸質量條件約束下設計計算適配器的基本結構。復合材料結構具備輕質超強韌特性,已在飛機機身段、運載火箭級和有效載荷適配器等殼體結構中得以應用[4-6]。基于此適配器選用具有力學性能好、抗腐蝕性能好、質量輕的碳纖維增強環氧樹脂復合材料進行結構設計,并開展多種工況下結構強度仿真分析。其次,開展器材離管安全性分析,以滿足安全出管要求。適配器結構強度及離管安全性分析結果可指導適配器環境試驗及陸上試驗,滿足深海耐壓和強尺寸質量約束條件下的發射裝置變口徑發射需求。

1 結構組成及設計基本參數

1.1 設計指標

變口徑適配器(以下簡稱適配器)設計指標具體要求如下: 最大耐壓強度Pmax;直徑300 mm;長度≥ 3000 mm;質量≤60 kg;保證器材安全出管。

1.2 結構組成

適配器由管體、裝填連接件、二級制動結構和定位塊等組成,如圖1所示。

圖1 適配器組成圖Fig.1 Composition of adapter

為滿足在大深度耐壓和強尺寸約束條件下的適配器質量要求,文中針對適配器的主要結構(碳纖維復合材料管體)開展結構設計。管體主要由后法蘭、縱向筋、環筋、蒙皮、水密環和前端板等組成,如圖2 所示。管體外徑尺寸?300 mm,內徑尺寸?200 mm,管體后段有5 組307.5 mm 長的開孔,形成柵狀管結構,管體前段在柵狀管基礎上增加蒙皮,蒙皮厚度為4 mm,長度約1 246 mm。縱向筋采用碳纖維復合材料夾層結構,夾層選用高強度聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)泡沫,管體結構采用復合材料柵狀管結構形式,大幅降低了適配器質量。

圖2 適配器管體組成圖Fig.2 Composition of adapter tube

1.3 基本設計參數

適配器管體選用具備密度小,強度剛度高,抗疲勞性能優異,抗振性、耐熱性和抗腐蝕性能好等特點的碳纖維增強環氧樹脂材料,該材料適用于高濕熱、長時間海水浸泡的海洋環境[7-10]。適配器管體成型時所選用的復合材料主要為TZ700S 碳纖維、SC-1200 高強玻璃纖維以及H3K 碳纖維預浸布,基體選用環氧樹脂6150,PMI 泡沫塑料選用XK200,適配器纖維體積含量為57%±3%,關鍵材料參數如表1 和表2 所示。適配器二級制動軸、定位塊以及裝填連接件的原材料主要為鈦合金TA4,材料參數如表3 所示。

表1 材料性能參數Table 1 Material performance parameters

表2 碳纖維復合材料單向板參數Table 2 Parameters of one-way plate of carbon fiber composite material

表3 鈦合金TA4 材料參數Table 3 Titanium alloy TA4 material parameters

1.4 成型工藝

適配器管體為碳纖維框架結構,采用碳纖維/環氧樹脂濕法纏繞結合碳纖維預浸料鋪放工藝成型。縱筋為碳纖維復合材料夾層結構,內部為PMI泡沫塑料,外部包覆碳纖維復合材料,采用共固化一體壓制成型;水密環采用平紋織物結構碳纖維預浸布模壓成型;環筋通過環向濕法纏繞成型,固化后與縱筋聯接為整體;定位塊附近進行補強,采用環向濕法纏繞成型,定位塊通過粘接加螺接方式固定在適配器環筋和蒙皮上;外蒙皮采用濕法纏繞預制成型,通過粘接加螺接與縱環筋聯接。適配器內表面采用環氧涂層與復合材料一次加壓成型,外表面噴涂環氧防腐漆,內外表面下鋪放具有絕緣性能的玻璃纖維。

2 適配器管體結構強度分析

2.1 網格模型

適配器建模時采用笛卡爾直角坐標系,沿適配器軸線指向前端板方向為x軸,垂直于軸線方向指向導子為y軸,z軸垂直于平面xoy。因適配器管體采用共固化一體成型,適配器蒙皮、縱筋和環筋結構均采用六面體單元進行網格劃分,定位塊和泡沫等各向同性材料采用四面體單元進行網格劃分,金屬定位塊與蒙皮、縱筋設置節點耦合接觸。各結構網格模型如圖3 所示。

圖3 適配器管體網格劃分Fig.3 Grid division of adapter tube

2.2 仿真工況

適配器主要由碳纖維增強環氧樹脂復合材料制成,為了保證適配器整體性能滿足工作條件下的強度剛度要求,對工作壓力、試驗壓力、發射膛壓和發射集中力4 種工況下的適配器分別進行仿真計算。適配器約束方式為后法蘭端固定,其中:工作壓力即為最大耐壓強度Pmax,試驗壓力為1.5Pmax,均作用于適配器整個管體上;發射膛壓為0.5 MPa,發射時沿徑向作用在蒙皮外側,發射集中力為3 t,發射時沿軸向作用在蒙皮3 處定位凸臺。工作壓力、試驗壓力和發射集中力的仿真工況如圖4 所示。為清晰分析適配器在各仿真工況下的變形和應力,將仿真結果轉化在柱坐標系進行分析。

圖4 適配器仿真工況Fig.4 Simulated working conditions of adapter

2.3 仿真結果分析

2.3.1 工作壓力

適配器在工作壓力Pmax下的仿真結果如表4所示,變形云圖如圖5 所示。在工作壓力Pmax下適配器整體最大變形為0.026 45 mm,徑向最大變形為0.016 84 mm。

表4 工作壓力工況仿真結果Table 4 Simulation results of working pressure condition

圖5 工作壓力工況下適配器變形和應力云圖Fig.5 Deformation and stress contours of the adapter under working pressure condition

由仿真結果可得,工作壓力工況下纖維各方向應力小于材料強度,滿足使用要求。

2.3.2 試驗壓力

適配器在試驗壓力1.5Pmax下的仿真結果如表5 所示,變形和應力云圖如圖6 所示。試驗壓力1.5Pmax下適配器整體最大變形為0.039 67 mm,徑向最大變形為0.025 26 mm。

表5 試驗壓力工況仿真結果Table 5 Simulation results of test pressure condition

圖6 試驗壓力工況下適配器變形和應力云圖Fig.6 Deformation and stress contours of adapter under test pressure

由仿真結果可得,試驗壓力工況下纖維各方向應力小于材料強度,滿足使用要求。

2.3.3 發射膛壓

適配器在發射管內執行發射動作時,管內0.5 MPa的膛壓直接作用到適配器蒙皮外表面,為確保蒙皮在膛壓作用下不發生較大變形,針對此工況進行仿真分析,結果如表6 所示,位移及應力仿真云圖如圖7 所示。0.5 MPa 膛壓作用下蒙皮的最大徑向位移為0.102 7 mm,整體位移為0.108 4 mm。

表6 發射膛壓作用下適配器仿真結果Table 6 Simulation results of adaptor under launch chamber pressure

圖7 發射膛壓作用下適配器變形和應力云圖Fig.7 Deformation and stress contours of adaptor under launch chamber pressure

由仿真結果可知,適配器在0.5 MPa 發射膛壓作用下,管體纖維各方向應力小于材料強度,屈曲系數大于1,滿足使用要求。

2.3.4 發射集中力

適配器采用定位凸臺與發射管水密環止擋進行定位。發射時管內0.5 MPa 的膛壓直接作用到適配器環形截面上,導致適配器的定位凸臺沿軸向承受3 t 沖擊載荷,為確保適配器在發射集中力作用下不發生較大變形,針對此工況進行仿真分析,得到的變形結果如表7 所示,變形和應力仿真云圖如圖8 所示。在發射集中力作用下適配器的整體最大變形為0.206 0 mm,蒙皮最大徑向變形為0.117 6 mm。

表7 發射集中力作用下適配器仿真結果Table 7 Simulation results of adapter under launch concentration force

圖8 發射集中力作用下變形和應力云圖Fig.8 Deformation and stress contours of adaptor under launch concentration force

由仿真結果可知,在3 t 的發射集中力作用下,纖維各方向應力小于材料強度,定位塊應力小于鈦合金材料強度,屈曲系數大于1,滿足使用要求。

上述對工作壓力、試驗壓力、發射膛壓和發射集中力4 種工況下的適配器開展了仿真分析。結果表明,適配器結構強度能滿足深海使用要求。

3 適配器管體錐度設計及離管安全性分析

適配器管口錐度示意圖如圖9 所示,其錐度設計值主要考慮發射時平臺速度以及器材出管速度大小,根據器材的出管速度定義: 低平臺速度下,器材出管速度不小于V1;高平臺速度下,器材出管速度不小于V2。

圖9 適配器管體錐度示意圖Fig.9 Adapter tube taper

3.1 計算工況1

3.1.1 技術指標要求

低平臺速度下,器材出管速度不小于V1。

3.1.2 計算工況

適配器正橫布置,管口錐度為1∶7,低平臺速度,器材出管速度為V1。

3.1.3 計算結果

針對上述計算工況開展器材與適配器分離安全性計算,得到不同時刻器材和適配器所處位置及姿態。設定器材圓柱端末端離開適配器管口截面為初始時刻,從初始時刻到出管0.03 s 的器材與適配器的相對位置如圖10 所示。

圖10 不同出管時刻器材與適配器相對位置(工況1)Fig.10 Relative position between adaptor and equipment leaving the launch tube at different times (working condition 1)

由計算結果可知,當器材圓柱段末端面離開適配器前端面0.025 s 時,器材上鰭舵即將離開發射管口;當器材圓柱段末端面離開適配器前端面0.03 s時,器材上鰭舵完全離開發射管;且此前任意時刻,器材上鰭舵最高點位置均未超過發射管口上限位置。因此,工況1 在滿足低平臺速度下,器材出管速度不小于V1的技術指標要求下,1∶7 的錐度能保證器材安全離開適配器。

3.2 計算工況2

3.2.1 技術指標要求

高平臺速度下,器材出管速度不小于V2。

3.2.2 計算工況

適配器正橫布置,管口錐度為1∶5,高平臺速度,器材出管速度V2。

3.2.3 計算結果

針對上述計算工況開展器材與適配器分離安全性計算,得到不同時刻器材和適配器所處位置及姿態。以器材圓柱端末端離開適配器管口截面為初始時刻,從初始時刻到出管0.02 s 的器材與適配器的相對位置如圖11 所示。

圖11 不同出管時刻器材與適配器相對位置(工況2)Fig.11 Relative position between adaptor and equipment leaving the launch tube at different times (working condition 2)

由計算結果可知,當器材圓柱段末端面離開適配器前端面0.019 s 左右時,器材上鰭舵即將離開發射管口;當器材圓柱段末端面離開適配器前端面0.02 s 時,器材上鰭舵完全離開發射管口;在出管過程中,器材上鰭舵最高點位置均未超過發射管口上限位置。因此,工況2 在滿足高平臺速度下,器材出管速度為不小于V2的技術指標要求下,1∶5 的錐度可保證器材安全離開適配器。

3.3 結果分析

綜上,在兼顧器材技術指標要求及適配器性能指標要求的前提下,適配器管口設計采用1∶5 的錐度,可保證器材在高平臺速度和低平臺速度下均能安全出管。

4 結論

文中開展了變口徑碳纖維復合材料適配器結構設計與安全設計研究,具體研究結論如下:

1) 適配器選用碳纖維復合材料,采用柵狀管結構形式,滿足了適配器質量≤60 kg,長度≥3 000 mm 的強尺寸質量條件約束;

2) 針對碳纖維復合材料適配器開展工作壓力、試驗壓力、發射膛壓、發射集中力等工況下仿真分析,結果表明復合材料柵狀管適配器結構能滿足1.5Pmax深海耐壓要求;

3) 為滿足發射時平臺航速及器材出管速度的要求,開展不同工況下器材的離管安全性分析,結構表明適配器采用1∶5 的錐度,可滿足器材在深海環境下不同平臺速度安全出管要求。

文中研究實現了深海耐壓和強尺寸質量約束條件下的發射裝置變口徑發射能力,研究成果可為水下平臺發射裝置適配器的設計提供參考,下一步將通過試驗驗證變口徑碳纖維復合材料適配器的結構完好性及指標符合性。