复合材料桅杆应力分布特性及其极限载荷研究

吴超 程晓达 任少飞 白兆宏

（哈尔滨工程大学船舶工程学院 哈尔滨 150001）

复合材料桅杆应力分布特性及其极限载荷研究

吴超 程晓达 任少飞 白兆宏

（哈尔滨工程大学船舶工程学院 哈尔滨 150001）

桅杆；复合材料；应力分布；极限载荷

船用复合材料桅杆采用新颖的八边形筒形结构，复合材料夹层板对于桅杆来说也是一种创新探索，对其应力分布特性和极限载荷的研究具有实际意义。通过力学分析，给出了桅杆在真实环境中所受到的三种载荷具体形式，并采用流体动力学方法，模拟出三种载荷共同作用下复合材料结构的受力响应情况，由此得到其应力分布规律。再通过大量计算得到不同蒙皮和芯材厚度下胶层应力随风速变化曲线，由此得到该种复合材料夹层结构在常用厚度范围内的极限载荷统计规律，以供参考。

0 引言

现代科技条件下的海战中，水面舰船的侦查能力和隐身性能是成败关键。为此，复合材料桅杆应运而生。复合材料桅杆相比传统意义的桅杆结构更简单紧凑，材料性质优良，这都利于提高水面舰船的隐身性［1］。然而作为一种新的桅杆形式，在正式配备之前，结构本身的诸多性质有待于进一步的探讨。顶部复合材料雷达罩部分的应力分布特性研究及其材料的极限载荷范围对于这种结构的设计和应用都有切实的参考价值。

1 结构形式

本文所研究的复合材料桅杆主体采用传统钢结构保证强度，桅杆顶部为复合材料罩体结构，高度为1m。此雷达罩结构各侧壁板无加强筋，在安装有雷达天线处的侧壁板布置适当大小的复合材料夹层板，以满足雷达信号传输要求［2，3］。其典型结构形式如图1所示。

图1 综合集成桅杆及底部部分舱段结构图

桅杆雷达罩体部分所采用的复合材料内部为对称的夹层板结构，由玻璃钢蒙皮、胶层和蜂窝状芯材三部分组成。轻质的蜂窝状材料和双层玻璃钢材料相结合，既保证了结构具有了一定抗冲击强度，又利于对信号的良好通透性，其具体结构如图2所示［4，5］。

图2 复合材料夹层板结构图

2 载荷确定

准确分析复合材料桅杆应力特性分布，载荷的确定是其中的基础性关键。当船舶在风浪中航行时，作用在桅杆上的载荷主要有：结构及其设备的重力、船舶摇摆时所引起的惯性力，以及风载荷。横摇和纵摇是舰船在风浪中航行时最主要的运动形式，这两种情况下桅杆结构所受到三种载荷同时作用的合力及风压对应以下表达式：

横摇：

纵摇：

其中R为舰船重心轨迹半径：

参数：C1=0.64B/Tφ2，C2=0.64T/Tφ2上述式中：

M为自身及设备质量，t；

Fxx为重心处纵向水平力，kN；

Fyy为重心处横向水平力，kN；

Fzz为重心处垂向水平力，kN；

Tφ为静水横摇周期，s；

Tθ为静水纵摇周期，s；

DX、DY为X、Y方向风力，kN；

AYZ为受风面在YZ平面上的投影，m2；PW为风压，kPa；

θmax为最大纵摇计算角，°；

φmax为最大横摇计算角，°；

X、Y、Z为结构及设备装置重心至舰艇重心距离，m。

3 应力分布特性研究

本节利用流体动力学算法，将重力与惯性力同时施加于雷达罩结构的有限元模型上，研究在三种载荷的共同作用下，顶部复合材料雷达罩结构的应力分布特点。这里雷达罩夹层结构蒙皮和芯材厚度分别为0.1mm、10mm，胶层厚度取为0.1mm，取风速为10 m/s、20 m/s、30m/s、40 m/s四种工况分别进行计算。结果显示不同风速下的应力分布趋势大致相同。取风速为10m/s工况结果如图3~5所示：

图3 蒙皮应力云图

图4 胶层应力云图

图5 芯材应力云图

由应力云图可见，蒙皮、芯材及胶层的各向应力垂向分布特点基本相同。由于结构内部没有加强结构，最大应力主要集中在各侧壁板的中部位置。

相比同一侧面应力的垂向分布，同一高度上各侧面应力的周向分布则更为复杂。取不同侧面高度方向上中线处，不同风速时三种载荷共同作用下的应力平均值，绘制曲线对比分析，得到应力周向分布规律，如图6~8所示。

根据以上各曲线图，复合材料雷达罩的三层材料中，蒙皮层应力峰值最大，风速40 m/s时达到了10 MPa；胶层应力最大峰值相对较小，达到7 MPa。不同层次材料应力峰值主要集中在侧流面处，迎、背流面则相对较小，其中胶层沿周向应力分布较为均匀，而芯材的分布则显得十分突兀，迎流面和侧流面峰值尤其明显。值得注意的是，各侧面同一高度上，不仅在中心出现应力峰值，板间接缝处出现的峰值甚至要大于中心点处应力，这一点在蒙皮层体现的尤为突出。强度设计中需要重点留意。

图6 蒙皮压应力周向分布

图7 胶层应力周向分布

图8 芯材应力周向分布

4 极限载荷研究

本文以某型船为背景，研究复合材料雷达罩的极限载荷应力。在最大横纵摇角的条件下，复合材料雷达罩结构所受的重力与惯性力的合加速度大小如下：

式中：ax、ay、az分别代表沿船长度、宽度及高度方向上的加速度。

根据之前的风载算法，风速从10~100m/s之间取整十数，计算得到脉动风压极值。将10种风速条件下所得到的脉动风压最大极值加载于复合材料雷达罩，取雷达罩蒙皮厚度变化范围为0.1~1mm，芯材厚度变化范围为10~30mm，胶层厚度取0.1mm。

对于复合材料夹层板结构来说，其内胶层的失效是导致其破坏的根本原因［6］。因此内胶层应力的大小是判别雷达罩是否破坏的最根本标准。

本文通过给出不同蒙皮和芯材厚度下胶层应力随风速变化曲线，据此来判别该种复合材料夹层结构雷达罩在各种常用厚度范围内受到的极限载荷，如图9~11所示，t为蒙皮厚度。

图9 不同蒙皮厚度下胶层应力随风速变化（芯材10mm）

图10 不同蒙皮厚度下胶层应力随风速变化（芯材20mm）

图11 不同蒙皮厚度下胶层应力随风速变化（芯材30mm）

图中所示，不同蒙皮和芯材厚度下胶层应力值随风速增大而逐渐增大，随蒙皮厚度增加而减小，随芯材厚度增加也相应减小，可见蒙皮厚度的增加一定程度上分担了载荷量。根据不同材质胶层的极限强度，便可知胶层是否破坏，以及结构是否安全。

5 结语

本文阐述了复合材料桅杆所受的三种主要载荷形式，即结构及其设备重力、船体摇荡引起的惯性力及风载荷。通过有限元方法建立模型，基于数值模拟技术，同时施加三种载荷，研究了不同风速条件下的复合材料桅杆特别是雷达罩部分的应力分布特性，可全面了解复合材料雷达罩体的整体受力特点。结果显示，各侧面同一高度上，不仅在中心出现应力峰值，板间接缝处出现的峰值甚至要大于中心点处应力。

本文后半部分则通过较详尽地计算给出了蒙皮与芯材在常用厚度范围内，胶层应力随风速变化的应力变化曲线，据此判别该种复合材料夹层结构雷达罩在各种常用厚度范围内的极限载荷。所依据的船型有一定代表性，计算结果有一定的实际参考价值。

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Research on stress distribution and extreme load of com posite mast

WU Chao CHENG Xiao-da REN Shao-fei BAI Zhao-hong
（College of Ship Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

mast；composite；stress distribution；extreme load

Octagonal section is novelty in design of composite mast，and composite sandwich plate is also an innovation.The study on stress distribution characteristics and extreme load of the mast is practical.In this paper，equations of three types of load in real environment are presented through mechanical analysis.With hydrodynamic methods，stress responses of composite structure under multi-loads are simulated；therefore the stress distribution law is obtained.The stress curves of glue layer in different thickness of coating and core material with accordance to wind velocity have been calculated，so as to find the extreme load statistic law of composite sandwich structure within usual thickness range.

U663.6

A

1001-9855（2011）06-0046-04

2011-05-26

吴超（1986-），男，汉族，硕士研究生，研究方向：船体结构性能与安全性。

程晓达（1988-），男，汉族，硕士研究生，研究方向：船体结构性能与安全性。

任少飞（1986-），男，汉族，硕士研究生，研究方向：船体结构性能与安全性。

白兆宏（1986-），男，汉族，硕士研究生，研究方向：船体结构性能与安全性。