错层式钛合金球鼻首导流罩结构形式研究

金武雷 周心桃 陈昆渊 涂 三

中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064

错层式钛合金球鼻首导流罩结构形式研究

金武雷 周心桃 陈昆渊 涂 三

中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064

针对有特殊声学要求的球鼻首导流罩，为满足其透声要求，提出错层式钛合金球鼻首导流罩的结构形式。首先提出了基本结构形式，分析了这种结构形式下连接结构的水密性、结构方案的经济性。运用有限元计算方法对结构强度进行了校核，并对声学性能进行了分析。研究表明：这一结构形式能够满足声呐特殊的工作要求，且结构设计可行。

舰艇；球鼻首；导流罩；结构形式；声学；钛合金

1 引言

在现代舰艇结构中，球鼻首导流罩作为改善流体阻力性能、装载艏部声呐最重要的船体首部的一种结构形式被广泛应用到各型舰艇中。装有声呐的舰艇球鼻首是水下反潜作战的探测窗口。作为设备的工作舱室，舰艇球鼻首结构在保证船体首部外形及水动力性能、满足结构强度的前提下，要实现良好的声学性能，完成为声呐提供优良服务的主要功能［1］。

声呐透声窗或球鼻首导流罩的透声材料，最早采用的是合金钢板，如美国的CW-351导流罩，我国也于70年代开始研究不锈钢透声窗材料，这种导流罩的缺点是透声性能较差，后来采用增强塑料及其复合结构，现在我国普遍采用的是玻璃钢［2］，这类材料的优点是透声性能好，但机械强度较差的缺点也相当明显［3］。上述的导流罩材料，无论是金属的还是非金属的，大多采用的是单层结构，其声性能和机械强度往往难以同时兼顾［4］。俄罗斯以及欧洲一些国家的球鼻首导流罩采用双层钛合金结构作为透声窗，透声窗形状较为规则，球鼻首导流罩的底部采用规格尺寸较大的高强度钢进行设计，国内也对类似的球鼻首导流罩结构形式进行了相关研究工作［5-6］。

根据水面舰船球鼻首声呐探测范围要求的不同，有的舰艇对于球鼻首导流罩底部有透声要求，现有钛合金球鼻首导流罩不能满足这种水面舰艇的底部透声要求。因此，必须设计出新型的球鼻首导流罩，使其既保证其特殊的声学性能，同时又能够满足水动力性能、机械强度要求，还要考虑其经济性和工程适用性。针对这一特殊要求，本文在现有钛合金球鼻首导流罩的基础上提出一种新型球鼻首导流罩结构形式，即错层式钛合金球鼻首导流罩。

2 错层式钛合金球鼻首结构设计

2.1 错层式结构的说明

本文中错层式结构是指由于球鼻首导流罩底部双层板间距的不同而导致的内壳板局部错开的一种结构形式。

2.2 基本结构形式

本文提出的错层式钛合金球鼻首导流罩结构形式，是在现有钛合金球鼻首导流罩结构形式的基础上，对底部区域采用特殊设计而实现的。错层式钛合金导流罩结构形式和现有的钛合金导流罩结构形式在很大程度上是一致的，本文充分借鉴了现有成功的钛合金球鼻首导流罩结构形式。

钛合金球鼻首导流罩结构设计主要是根据舰艇艏部线型和球鼻首导流罩的受力特点，以及声呐设备工作的透声区域要求，确定球鼻首导流罩钛合金板格大小和加强筋布置方案。由于砰击载荷主要作用在球鼻首导流罩底部区域，导致球鼻首底部区域整体作用载荷较大。为保证钛合金球鼻首导流罩底部区域的结构强度和刚度，避免在海浪中遭受砰击载荷作用时导致损坏或永久性变形，影响声呐的正常使用，现有的钛合金导流罩一律在底部区域采用非透声的高强度钢进行设计，并以法兰与钛合金部分透声窗进行连接组成钛合金导流罩整体结构。采用这种钛合金球鼻首导流罩结构形式设计的钛合金球鼻首导流罩底部区域不能有效透声见图1、图2。

要满足球鼻首导流罩底部的透声要求，底部的结构必须采用透声设计，因此同样需要采用钛合金材料进行球鼻首导流罩的底部设计。考虑到要保证底部足够的强度和刚度，因此在进行球鼻首导流罩结构设计时必须选用相对于中上部规格稍大的钛合金板材做底部外板。根据双层板透声理论，不同的板厚针对同一频段的声波，要达到相同的透声效果必须设置不同的双层板间距，因此本文球鼻首导流罩结构由不同厚度的双层钛合金板架组合结构与钛合金桁架式加强筋结构组成，如图3所示。

钛合金桁架式加强筋结构采用径向筋和水平筋交叉并以斜撑结构与双层钛合金板架连接的结构型式。径向加强筋和水平加强筋以及斜撑的结构设计充分考虑强度要求和对声波的反射干扰要求，尽量减小构件侧面积，采用桁架式结构方案，用不同规格钛棒的组合来实现桁架式结构设计，如图4所示。

双层钛合金板架结构由双层钛合金板和中间的加强筋构成，不同厚度的外壳板焊接时要始终保证外壳板外缘光滑过渡（见图5），使钛合金导流罩保持较好流体性能，降低流固耦合引起的局部流体噪声。不同厚度的双层钛合金板架之间采用略大于双层板间距的方钛进行连接，以实现不同厚度的双层钛合金板架的过度连接，如图6所示。

2.3 错层式钛合金球鼻首导流罩结构形式水密性分析

钛合金球鼻首导流罩与钢质主船体是异种材料，不能直接焊接，直接连接易产生电化学腐蚀，目前此类问题均采用法兰连接型式予以解决，法兰连接要在法兰盘之间加衬绝缘垫板，再用双头螺栓固定，既能保证结构绝缘，又能解决水密性问题。法兰连接工艺较为复杂，施工质量是保证水密好坏的关键之一，因此可以在进行法兰连接结构设计时，尽量考虑降低连接工艺的难度。

由图7可以看出现有的钛合金球鼻首导流罩底部采用的法兰均不在一个平面内，必然要采用复杂的工艺解决连接问题。而本文采用的错层式球鼻首导流罩结构设计形式由于采用全钛合金设计，从设计上避开了导流罩底部不规则法兰连接（见图8），因此可以从根本上提高钛合金球鼻首导流罩的水密问题。另一个方面，采用错层式结构设计与现有的常规设计方法相比，连接法兰长度有了较大减少，经计算，采用错层式结构设计法兰长度缩短约35%，因而现场装配工作量明显减少，同时也有利于提高球鼻首水密性。

2.4 错层式钛合金球鼻首导流罩结构形式经济性分析

通过计算，采用错层式钛合金球鼻首导流罩结构形式的方案，与现有的钛合金球鼻首导流罩结构形式相比，需增加钛合金材料约10%，但同时减少密封结构的材料约35%，总体造价增加不到5%。因此从经济性上考虑，本新型结构形式适用于工程实际。

3 错层式钛合金球鼻首结构强度分析

3.1 计算方法

因球鼻首导流罩结构复杂，采用解析法计算难度很大，而且很难满足结构很多应力点需求解的需求，汪礼思等［7］采用有限元法进行了球鼻首导流罩结构强度计算。

本文采用Patran进行建模，钛合金壳板采用4节点壳单元模拟，径向加强筋和水平加强筋用2节点梁单元，斜撑用2节点杆单元模拟，本球鼻首导流罩四周边界与主船体连接处近似地做全固定处理，模型及边界条件如图9、图10所示。材料属性为：E ＝1.1×1011，ε ＝0.33。

3.2 计算结果

在模型上分别施加根据规范规定、船体结构和声呐设备使用要求确定的计算载荷，计算各种载荷下结构的强度，图11、图12显示的是在最大载荷作用下错层式球鼻首导流罩结构的应力分布情况。计算结果显示，依据错层式球鼻首导流罩结构形式设计的结构方案的结构强度满足规范要求。

4 声学计算

舰艇球鼻首导流罩的主要服务对象是水声声呐，为了使声呐能更好地发挥作用，要尽可能地降低声波透射过导流罩的插入损失，实现透声功能。在声学原理的研究过程中，发现特定型式的腔体结构和透射声波会发生共振作用，从而减少透声损失［8］，双层板壳结构型式因此而生，内外壳就可以形成声腔，从而提高其声学性能。

由于在透声性上，双壳间距和板厚、声呐频段有着重要的关联，需对照板厚及使用声呐的声波频率，通过计算，确定合适的透声双壳间距，使双壳形成声呐频段的共振声腔，减少声波的插入损失，实现导流罩为声学功效服务的功能。因此，不同的板厚，要实现规定声波频率的透声要求，所对应的板间距是不一样的，在相同的频段内不同板厚在同一板间距下，板越薄透声效果越好，如图13所示。

声学性能计算方法可采取解析法和有限元方法，有限元方法是比较成功的数值模拟工具［9］。上世际 90年代初 E verstine和 H ennion等［10-11］用有限元法法研究了声在一些物质和结构中的传播特性，国内有不少学者进行了相关研究工作，孙好广等对采用解析法对水中双层金属板的透声性能进行了研究，孙敏康等［12］运用有限元和边界元的方法对球鼻首导流罩的声学性能进行了研究。对于像舰船球鼻首导流罩这样几何形状不规则、物性不均匀、边界条件和初始条件复杂结构的声性能计算问题，解析解是很困难的，一般只能运用数值解法。

本文采取有限元法进行分析，计算结果表明：在特定的频段内，要达到一样的声学性能，如果板厚增加，与其所对应的双壳间距需要增加，才能满足声学性能要求（图14），从而从声学性能方面验证了错层式球鼻首导流罩这一新型结构形式的可行性。

5 结论

通过结构设计、强度分析、声学性能分析表明：本文提出的错层式钛合金球鼻首导流罩结构形式是可行的，与现有的钛合金导流罩结构形式相比其水密性有较大提高，其结构强度和声学性能同样能够达到设计要求，能够解决现有球鼻首导流罩底部不能透声的问题，满足特殊的声学性能要求，可适用于设计有特殊透声要求的球鼻首导流罩结构。

［1］ 邵开文，马运义.舰船技术与设计概论［M］.北京：国防工业出版社.2005.

［2］ 陈昆渊.舰壳声纳导流罩结构研究探讨［J］.舰船工程研究，1997（4）：5-8.

［3］ 缮荣兴，等.水声无源材料技术概要［M］.杭州：浙江大学出版社，1995.

［4］ 孙好广，李水.水中双层金属板的透声性能分析［J］.声学与电子工程，2002（1）：34－36.

［5］ 李源源.舰艇新型球鼻首的结构设计探索 ［J］.船舶工程，2007（3）：58－60.

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［7］ 江礼思.声呐罩结构强度的分析［J］.船舶工程，2004（4）41－44.

［8］ 何祚镛，赵玉芳.声学理论基础［M］.北京：国防工业出版社，1981.

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［12］陈敏康，高峰.舰船导流罩声传播特性研究［J］.声学与电子工程，2005（2）：8－11.

Staggered Structure Design of Titanium Alloy Fairwater Dome for Bulbous Bow

Jin Wu-lei Zhou Xin-tao Chen Kun-yuan Tu San
China S hip Developmentand Design Center， Wuhan 430064， C hina

In orde r tomeet the special requirementof bulbous bow for acoustic performance， a staggered structure design of t itanium alloy fairwater dome was carried out.This paper presents a basic configuration of such dome and investigates the water－tightness of bonded structure， and the cost－effectiveness of structural design.Finite Element Method was used to check the structural strength and the acoustic performance of the structure was examined.The results demonstrate that this configuration of the fairwater domemeets the needs of acoustic performance on structural design and which satisfies the requirements of sonarworking at special operation condition.

naval ship； bulbous bow； fairwater dome； structural design； acoustic； titanium alloy

U663.5

A

1673－3185（2010）04－32－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.04.007

2009－06-23

中国舰船研究设计中心专项基金（BZJ）

金武雷（1980-），男，硕士，工程师。研究方向：水面舰船结构设计。E-mail：jinwulei@163.com

周心桃（1969-），女，硕士，高级工程师。研究方向：水面舰船结构设计

陈昆渊（1941-），男，研究员。研究方向：水面舰船结构设计