玻璃纖維復(fù)合材料在某型氣墊船墊升風(fēng)機(jī)葉片上的應(yīng)用研究

姚 燦，潘光奇

玻璃纖維復(fù)合材料在某型氣墊船墊升風(fēng)機(jī)葉片上的應(yīng)用研究

姚 燦，潘光奇

（海軍裝備部駐武漢地區(qū)軍事代表局駐長沙地區(qū)軍事代表室，湖南 長沙，410000）

氣墊船通過墊升風(fēng)機(jī)產(chǎn)生氣流，經(jīng)由圍裙通道，向船底氣室供氣，依靠氣墊產(chǎn)生的墊升壓力以支撐船體懸浮于水面或地面航行，以此減小船體和接觸面之間的阻力、大航速可調(diào)范圍，使其具有極高的機(jī)動性。根據(jù)某型號氣墊船用墊升風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求，針對玻璃纖維復(fù)合材料葉片開展鋪層設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算、模態(tài)計(jì)算及強(qiáng)度試驗(yàn)等方面進(jìn)行了研究。研究表明：采用玻璃復(fù)合材料的葉片可以達(dá)到輕量化的要求，應(yīng)力計(jì)算和模態(tài)計(jì)算結(jié)果均滿足使用要求，使用過程中不會破壞也不會發(fā)生共振。通過強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證在極限轉(zhuǎn)速情況下最大應(yīng)變值為2 747 με，遠(yuǎn)小于材料的應(yīng)變極限，葉片未發(fā)生破壞。

墊升風(fēng)機(jī)；葉片；輕量化；玻璃纖維

0 引言

氣墊船是一種懸浮于航行面的高性能船舶，由于能夠同時(shí)行駛于地面、冰面和水面而兼具飛行器及常規(guī)船舶航行特性。氣墊船操縱與一般水面船不同，具備推進(jìn)系統(tǒng)和獨(dú)特的墊升系統(tǒng)。利用墊升風(fēng)機(jī)將氣流注入船體下方的圍裙和氣室內(nèi)，在船體與航行面之間產(chǎn)生一層氣墊，依靠船底部的高壓氣墊使船體浮起，可以使氣墊船航行時(shí)與航行面完全脫離，從而具備了登灘、登坡和越障能力[1]。自氣墊船問世以來，墊升風(fēng)機(jī)作為氣墊船特有的主要動力裝置，使之安全可靠工作，一直倍受人們的重視。墊升風(fēng)機(jī)屬于氣墊船的關(guān)鍵動力系統(tǒng)，為船體懸浮于水面或地面提供升力。墊升風(fēng)機(jī)葉片是墊升風(fēng)機(jī)的重要承載部件，其載荷工況和工作環(huán)境非常嚴(yán)酷。墊升風(fēng)機(jī)葉片工作時(shí)高速旋轉(zhuǎn)，除承受巨大的離心力外，葉片表面還將受到顯著的面壓力載荷；葉片長期工作在濕熱及霉菌環(huán)境下，并伴隨著嚴(yán)重的海水水花飛濺及砂石沖刷[2]。復(fù)合材料具有密度低、比強(qiáng)度和比模量高、抗疲勞/蠕變/沖擊性能好、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)今風(fēng)機(jī)葉片的首選。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片多采用玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料，增強(qiáng)材料一般采用玻璃纖維[3]。常超根據(jù)現(xiàn)有某型號氣墊船軸流式墊升風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求，從選材、強(qiáng)度計(jì)算、成型方法等方面對氣墊船用墊升風(fēng)機(jī)葉片的輕量化進(jìn)行對比研究，研究表明：采用鋁合金或碳纖維復(fù)合材料的葉片可以達(dá)到輕量化的要求，碳纖維復(fù)合材料葉片的安全性高于鋁合金葉片且通過頻率隔離裕度寬，采用一定方式鋪層的碳纖維可達(dá)到固有頻率高且強(qiáng)度好的效果[4]。

本文參考某型號氣墊船墊升風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)要求[4]，設(shè)計(jì)參數(shù)如下：流量300 m3/s，全壓12 200 Pa，轉(zhuǎn)速1 320 r/min，單片葉片重量應(yīng)小于37.5 kg。采用玻璃纖維開展鋪層設(shè)計(jì)，從應(yīng)力計(jì)算、模態(tài)計(jì)算和強(qiáng)度試驗(yàn)等方面對氣墊船用玻璃纖維復(fù)合材料墊升風(fēng)機(jī)葉片的可行性進(jìn)行研究。

1 葉片結(jié)構(gòu)形式與材料

墊升風(fēng)機(jī)葉片使用環(huán)境對耐濕度以及溫度要求較高，葉片主體選用耐腐蝕性較強(qiáng)的玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，葉根主要承受離心力及氣動載荷帶來的彎矩，葉身保證葉片的氣動性能。不改變原有葉片的高效氣動優(yōu)化設(shè)計(jì)，單純采用玻璃纖維進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)。葉片形狀如圖1所示。針對高強(qiáng)度低密度輕量化的設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用高強(qiáng)S玻纖材料作為研究對象，設(shè)計(jì)重量為36.5 kg，滿足單片葉片重量要求。材料的力學(xué)性能如表1所示。

圖1 葉片三維造型圖

表1 材料力學(xué)性能表

2 葉片鋪層設(shè)計(jì)

依據(jù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)原則[5]，結(jié)合墊升風(fēng)機(jī)葉片的載荷工況，葉片鋪層設(shè)計(jì)圖如圖2所示。鋪層設(shè)計(jì)原則如下：

1）葉根位置較厚，葉身較薄，采用錯(cuò)層的方式進(jìn)行逐層減薄，并盡量進(jìn)行對稱和平衡鋪層，遞減鋪層應(yīng)盡可能距離中面大小交替鋪放，避免由于鋪層遞減形成的樹脂淤積集中在一起，造成應(yīng)力集中；

2）葉片鋪層由0°、90°、±45°組成，總體0°方向占比50%，±45°方向占比40%，90°方向占比10%；

3）葉根接頭螺栓孔為關(guān)鍵部位，承載離心力和氣動載荷帶來的彎矩，通過鋪層設(shè)計(jì)以保證連接處有足夠的剪切和擠壓強(qiáng)度，利于載荷擴(kuò)散和改善應(yīng)力集中。

圖2 葉片鋪層設(shè)計(jì)及展開圖

3 葉片強(qiáng)度分析

3.1 應(yīng)力計(jì)算

對葉片葉根與輪轂接觸面施加固定約束條件，以葉輪軸線作為旋轉(zhuǎn)軸，施加1 320 r/min的離心力載荷和氣動載荷，計(jì)算葉片的應(yīng)力分布。得到葉片的應(yīng)力如圖3所示。從圖中可以看出葉片各方向的應(yīng)力值S11（119MPa、-125MPa），S22（16MPa、-11MPa），S33（8MPa、-13MPa），S12（26MPa、-23MPa），S13（10MPa、-9MPa），S23（3MPa、-6MPa）。各方向的最大應(yīng)力值為125MPa，均小于S玻纖材料的許用強(qiáng)度值。

圖3 額定轉(zhuǎn)速和氣動載荷工況應(yīng)力云圖

3.2 葉片的模態(tài)計(jì)算

根據(jù)本方案軸流風(fēng)機(jī)使用環(huán)境的特殊性，開展葉片模態(tài)分析[6]，以期共振頻率避開風(fēng)機(jī)自身的固有頻率，確保使用中的安全可靠。對葉片接頭做邊界約束后，利用有限元軟件進(jìn)行模態(tài)求解計(jì)算，并提取出前6階固有頻率，得到葉片的前6階模態(tài)如表2所示。前六階的模態(tài)振型如圖4所示，一階擺動、二階扭轉(zhuǎn)、三階扭轉(zhuǎn)、四階彎扭、五階彎曲、六階葉尖彎扭。

表2 玻璃纖維葉片前6階固有頻率

圖4 玻璃纖維葉片前6階振型圖

可以看出，玻璃纖維葉片固有頻率避開了工作轉(zhuǎn)速1 320 r/min所對應(yīng)的22 Hz（基頻），在工作范圍內(nèi)不會發(fā)生基頻共振激勵(lì)源頻率。

4 強(qiáng)度試驗(yàn)

葉片在工作時(shí)，主要受到離心力和空氣載荷，通過計(jì)算離心力大小約為525 kN。在靜力加載時(shí)，同時(shí)分別施加離心力和空氣載荷。試驗(yàn)安裝如圖5所示，測試加載工裝與葉根固定工裝之間的葉片的應(yīng)變值，應(yīng)變片的粘貼部位如圖6和圖7所示。試驗(yàn)過程分為兩個(gè)階段，第一階段為離心力的加載，從0加載至525 kN；第二階段為面壓力的加載，將離心力載荷保持在525 kN，空氣載荷從0加載至3 kN。

圖5 靜力強(qiáng)度測試安裝圖

圖6 迎風(fēng)面應(yīng)變片編號及安裝位置圖

圖7 背風(fēng)面應(yīng)變片編號及安裝位置圖

從應(yīng)變片數(shù)據(jù)結(jié)果看到應(yīng)變片12號和應(yīng)變片16號的值大于其他應(yīng)變片的值，具體的數(shù)值如表3所示，12號與16號的應(yīng)變-載荷曲線如圖8所示。

表3 離心力載荷下12號與16號應(yīng)變片應(yīng)變值變化表

圖8 位置12號與16號應(yīng)變-載荷曲線

從圖8可以看到，離心力從0加載至525 kN過程中，應(yīng)變變化線性度好，加載至525 kN時(shí)，最大應(yīng)變值為2 747 με，遠(yuǎn)小于材料的應(yīng)變極限，葉片未發(fā)生破壞。

5 結(jié)論

1）氣墊船用墊升風(fēng)機(jī)葉片需滿足高強(qiáng)度、低密度、輕量化的設(shè)計(jì)要求，從選材上來看，玻璃纖維復(fù)合材料可以滿足要求；

2）使用高強(qiáng)S玻璃纖維，采用0°、90°、±45°鋪層設(shè)計(jì)，總體0°方向占比50%，±45°方向占比40%，90°方向占比10%，應(yīng)力計(jì)算及模態(tài)計(jì)算結(jié)果表明強(qiáng)度滿足實(shí)際工況條件，葉片固有頻率避開了工作轉(zhuǎn)速1 320 r/min所對應(yīng)的 22 Hz（基頻），在工作范圍內(nèi)不會發(fā)生基頻共振激勵(lì)源頻率。

3）通過模擬高速旋轉(zhuǎn)向心力及空氣載荷開展強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明葉片從風(fēng)機(jī)啟動到達(dá)到額定轉(zhuǎn)速過程中，應(yīng)變變化線性度好。在極限轉(zhuǎn)速情況下，最大應(yīng)變值為2747με，遠(yuǎn)小于材料的應(yīng)變極限，葉片未發(fā)生破壞。

[1] 于亦凡, 劉軍, 等.全墊升氣墊船控制研究綜述[J].艦船科學(xué)技術(shù), 2012(9): 11-15.

[2] 吳文虎. 氣墊船墊升風(fēng)扇[J]. 船舶, 2001(6): 34-38.

[3] 巴曉蕾, 梁吉鵬, 等. 全尺寸墊升風(fēng)機(jī)復(fù)合材料葉片疲勞試驗(yàn)加載技術(shù)研究[J]. 強(qiáng)度與環(huán)境, 2020(6): 17-23.

[4] 常超, 于躍平, 等.氣墊船用墊升風(fēng)機(jī)葉片輕量化研究[J]. 風(fēng)機(jī)技術(shù), 2020(6): 73-78.

[5] 撒興軍, 劉明霞, 楊岐平, 等. 大型軸流壓縮機(jī)靜葉片選材方案的設(shè)計(jì)與計(jì)算[J].風(fēng)機(jī)技術(shù), 2016(1): 61-64.

[6] 周丹. 大功率風(fēng)力機(jī)葉片模態(tài)及氣動特性分析[J]. 流體機(jī)械, 2015(12): 33-36.

Applied research of glass fiber composite material on a type of hovercraft lift fan blade

Yao Can，Pan Guangqi

(Naval Armament Department in Wuhan regional military representative Bureau in Changsha regional military representative office，Changsha 410000, Hunan, China)

U674.943

A

1003-4862（2024）03-0070-04

2023-11-13

姚燦（1981-），男，工程師，研究方向：復(fù)合材料在航空艦船領(lǐng)域應(yīng)用。E-mail：canbao61@163.com