金武雷 周心桃 陳昆淵 涂 三

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064

錯(cuò)層式鈦合金球鼻首導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)形式研究

金武雷 周心桃 陳昆淵 涂 三

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064

針對(duì)有特殊聲學(xué)要求的球鼻首導(dǎo)流罩，為滿足其透聲要求，提出錯(cuò)層式鈦合金球鼻首導(dǎo)流罩的結(jié)構(gòu)形式。首先提出了基本結(jié)構(gòu)形式，分析了這種結(jié)構(gòu)形式下連接結(jié)構(gòu)的水密性、結(jié)構(gòu)方案的經(jīng)濟(jì)性。運(yùn)用有限元計(jì)算方法對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了校核，并對(duì)聲學(xué)性能進(jìn)行了分析。研究表明：這一結(jié)構(gòu)形式能夠滿足聲吶特殊的工作要求，且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行。

艦艇；球鼻首；導(dǎo)流罩；結(jié)構(gòu)形式；聲學(xué)；鈦合金

1 引言

在現(xiàn)代艦艇結(jié)構(gòu)中，球鼻首導(dǎo)流罩作為改善流體阻力性能、裝載艏部聲吶最重要的船體首部的一種結(jié)構(gòu)形式被廣泛應(yīng)用到各型艦艇中。裝有聲吶的艦艇球鼻首是水下反潛作戰(zhàn)的探測(cè)窗口。作為設(shè)備的工作艙室，艦艇球鼻首結(jié)構(gòu)在保證船體首部外形及水動(dòng)力性能、滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，要實(shí)現(xiàn)良好的聲學(xué)性能，完成為聲吶提供優(yōu)良服務(wù)的主要功能［1］。

聲吶透聲窗或球鼻首導(dǎo)流罩的透聲材料，最早采用的是合金鋼板，如美國(guó)的CW-351導(dǎo)流罩，我國(guó)也于70年代開始研究不銹鋼透聲窗材料，這種導(dǎo)流罩的缺點(diǎn)是透聲性能較差，后來采用增強(qiáng)塑料及其復(fù)合結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在我國(guó)普遍采用的是玻璃鋼［2］，這類材料的優(yōu)點(diǎn)是透聲性能好，但機(jī)械強(qiáng)度較差的缺點(diǎn)也相當(dāng)明顯［3］。上述的導(dǎo)流罩材料，無(wú)論是金屬的還是非金屬的，大多采用的是單層結(jié)構(gòu)，其聲性能和機(jī)械強(qiáng)度往往難以同時(shí)兼顧［4］。俄羅斯以及歐洲一些國(guó)家的球鼻首導(dǎo)流罩采用雙層鈦合金結(jié)構(gòu)作為透聲窗，透聲窗形狀較為規(guī)則，球鼻首導(dǎo)流罩的底部采用規(guī)格尺寸較大的高強(qiáng)度鋼進(jìn)行設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)也對(duì)類似的球鼻首導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了相關(guān)研究工作［5-6］。

根據(jù)水面艦船球鼻首聲吶探測(cè)范圍要求的不同，有的艦艇對(duì)于球鼻首導(dǎo)流罩底部有透聲要求，現(xiàn)有鈦合金球鼻首導(dǎo)流罩不能滿足這種水面艦艇的底部透聲要求。因此，必須設(shè)計(jì)出新型的球鼻首導(dǎo)流罩，使其既保證其特殊的聲學(xué)性能，同時(shí)又能夠滿足水動(dòng)力性能、機(jī)械強(qiáng)度要求，還要考慮其經(jīng)濟(jì)性和工程適用性。針對(duì)這一特殊要求，本文在現(xiàn)有鈦合金球鼻首導(dǎo)流罩的基礎(chǔ)上提出一種新型球鼻首導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)形式，即錯(cuò)層式鈦合金球鼻首導(dǎo)流罩。

2 錯(cuò)層式鈦合金球鼻首結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 錯(cuò)層式結(jié)構(gòu)的說明

本文中錯(cuò)層式結(jié)構(gòu)是指由于球鼻首導(dǎo)流罩底部雙層板間距的不同而導(dǎo)致的內(nèi)殼板局部錯(cuò)開的一種結(jié)構(gòu)形式。

2.2 基本結(jié)構(gòu)形式

本文提出的錯(cuò)層式鈦合金球鼻首導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)形式，是在現(xiàn)有鈦合金球鼻首導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，對(duì)底部區(qū)域采用特殊設(shè)計(jì)而實(shí)現(xiàn)的。錯(cuò)層式鈦合金導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)形式和現(xiàn)有的鈦合金導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)形式在很大程度上是一致的，本文充分借鑒了現(xiàn)有成功的鈦合金球鼻首導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)形式。

鈦合金球鼻首導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是根據(jù)艦艇艏部線型和球鼻首導(dǎo)流罩的受力特點(diǎn)，以及聲吶設(shè)備工作的透聲區(qū)域要求，確定球鼻首導(dǎo)流罩鈦合金板格大小和加強(qiáng)筋布置方案。由于砰擊載荷主要作用在球鼻首導(dǎo)流罩底部區(qū)域，導(dǎo)致球鼻首底部區(qū)域整體作用載荷較大。為保證鈦合金球鼻首導(dǎo)流罩底部區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，避免在海浪中遭受砰擊載荷作用時(shí)導(dǎo)致?lián)p壞或永久性變形，影響聲吶的正常使用，現(xiàn)有的鈦合金導(dǎo)流罩一律在底部區(qū)域采用非透聲的高強(qiáng)度鋼進(jìn)行設(shè)計(jì)，并以法蘭與鈦合金部分透聲窗進(jìn)行連接組成鈦合金導(dǎo)流罩整體結(jié)構(gòu)。采用這種鈦合金球鼻首導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)的鈦合金球鼻首導(dǎo)流罩底部區(qū)域不能有效透聲見圖1、圖2。

要滿足球鼻首導(dǎo)流罩底部的透聲要求，底部的結(jié)構(gòu)必須采用透聲設(shè)計(jì)，因此同樣需要采用鈦合金材料進(jìn)行球鼻首導(dǎo)流罩的底部設(shè)計(jì)。考慮到要保證底部足夠的強(qiáng)度和剛度，因此在進(jìn)行球鼻首導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須選用相對(duì)于中上部規(guī)格稍大的鈦合金板材做底部外板。根據(jù)雙層板透聲理論，不同的板厚針對(duì)同一頻段的聲波，要達(dá)到相同的透聲效果必須設(shè)置不同的雙層板間距，因此本文球鼻首導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)由不同厚度的雙層鈦合金板架組合結(jié)構(gòu)與鈦合金桁架式加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)組成，如圖3所示。

鈦合金桁架式加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)采用徑向筋和水平筋交叉并以斜撐結(jié)構(gòu)與雙層鈦合金板架連接的結(jié)構(gòu)型式。徑向加強(qiáng)筋和水平加強(qiáng)筋以及斜撐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮強(qiáng)度要求和對(duì)聲波的反射干擾要求，盡量減小構(gòu)件側(cè)面積，采用桁架式結(jié)構(gòu)方案，用不同規(guī)格鈦棒的組合來實(shí)現(xiàn)桁架式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖4所示。

雙層鈦合金板架結(jié)構(gòu)由雙層鈦合金板和中間的加強(qiáng)筋構(gòu)成，不同厚度的外殼板焊接時(shí)要始終保證外殼板外緣光滑過渡（見圖5），使鈦合金導(dǎo)流罩保持較好流體性能，降低流固耦合引起的局部流體噪聲。不同厚度的雙層鈦合金板架之間采用略大于雙層板間距的方鈦進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)不同厚度的雙層鈦合金板架的過度連接，如圖6所示。

2.3 錯(cuò)層式鈦合金球鼻首導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)形式水密性分析

鈦合金球鼻首導(dǎo)流罩與鋼質(zhì)主船體是異種材料，不能直接焊接，直接連接易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，目前此類問題均采用法蘭連接型式予以解決，法蘭連接要在法蘭盤之間加襯絕緣墊板，再用雙頭螺栓固定，既能保證結(jié)構(gòu)絕緣，又能解決水密性問題。法蘭連接工藝較為復(fù)雜，施工質(zhì)量是保證水密好壞的關(guān)鍵之一，因此可以在進(jìn)行法蘭連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，盡量考慮降低連接工藝的難度。

由圖7可以看出現(xiàn)有的鈦合金球鼻首導(dǎo)流罩底部采用的法蘭均不在一個(gè)平面內(nèi)，必然要采用復(fù)雜的工藝解決連接問題。而本文采用的錯(cuò)層式球鼻首導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式由于采用全鈦合金設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)上避開了導(dǎo)流罩底部不規(guī)則法蘭連接（見圖8），因此可以從根本上提高鈦合金球鼻首導(dǎo)流罩的水密問題。另一個(gè)方面，采用錯(cuò)層式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與現(xiàn)有的常規(guī)設(shè)計(jì)方法相比，連接法蘭長(zhǎng)度有了較大減少，經(jīng)計(jì)算，采用錯(cuò)層式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法蘭長(zhǎng)度縮短約35%，因而現(xiàn)場(chǎng)裝配工作量明顯減少，同時(shí)也有利于提高球鼻首水密性。

2.4 錯(cuò)層式鈦合金球鼻首導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)形式經(jīng)濟(jì)性分析

通過計(jì)算，采用錯(cuò)層式鈦合金球鼻首導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)形式的方案，與現(xiàn)有的鈦合金球鼻首導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)形式相比，需增加鈦合金材料約10%，但同時(shí)減少密封結(jié)構(gòu)的材料約35%，總體造價(jià)增加不到5%。因此從經(jīng)濟(jì)性上考慮，本新型結(jié)構(gòu)形式適用于工程實(shí)際。

3 錯(cuò)層式鈦合金球鼻首結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

3.1 計(jì)算方法

因球鼻首導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用解析法計(jì)算難度很大，而且很難滿足結(jié)構(gòu)很多應(yīng)力點(diǎn)需求解的需求，汪禮思等［7］采用有限元法進(jìn)行了球鼻首導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算。

本文采用Patran進(jìn)行建模，鈦合金殼板采用4節(jié)點(diǎn)殼單元模擬，徑向加強(qiáng)筋和水平加強(qiáng)筋用2節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧睋斡?節(jié)點(diǎn)桿單元模擬，本球鼻首導(dǎo)流罩四周邊界與主船體連接處近似地做全固定處理，模型及邊界條件如圖9、圖10所示。材料屬性為：E ＝1.1×1011，ε ＝0.33。

3.2 計(jì)算結(jié)果

在模型上分別施加根據(jù)規(guī)范規(guī)定、船體結(jié)構(gòu)和聲吶設(shè)備使用要求確定的計(jì)算載荷，計(jì)算各種載荷下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，圖11、圖12顯示的是在最大載荷作用下錯(cuò)層式球鼻首導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況。計(jì)算結(jié)果顯示，依據(jù)錯(cuò)層式球鼻首導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)方案的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

4 聲學(xué)計(jì)算

艦艇球鼻首導(dǎo)流罩的主要服務(wù)對(duì)象是水聲聲吶，為了使聲吶能更好地發(fā)揮作用，要盡可能地降低聲波透射過導(dǎo)流罩的插入損失，實(shí)現(xiàn)透聲功能。在聲學(xué)原理的研究過程中，發(fā)現(xiàn)特定型式的腔體結(jié)構(gòu)和透射聲波會(huì)發(fā)生共振作用，從而減少透聲損失［8］，雙層板殼結(jié)構(gòu)型式因此而生，內(nèi)外殼就可以形成聲腔，從而提高其聲學(xué)性能。

由于在透聲性上，雙殼間距和板厚、聲吶頻段有著重要的關(guān)聯(lián)，需對(duì)照板厚及使用聲吶的聲波頻率，通過計(jì)算，確定合適的透聲雙殼間距，使雙殼形成聲吶頻段的共振聲腔，減少聲波的插入損失，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)流罩為聲學(xué)功效服務(wù)的功能。因此，不同的板厚，要實(shí)現(xiàn)規(guī)定聲波頻率的透聲要求，所對(duì)應(yīng)的板間距是不一樣的，在相同的頻段內(nèi)不同板厚在同一板間距下，板越薄透聲效果越好，如圖13所示。

聲學(xué)性能計(jì)算方法可采取解析法和有限元方法，有限元方法是比較成功的數(shù)值模擬工具［9］。上世際 90年代初 E verstine和 H ennion等［10-11］用有限元法法研究了聲在一些物質(zhì)和結(jié)構(gòu)中的傳播特性，國(guó)內(nèi)有不少學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究工作，孫好廣等對(duì)采用解析法對(duì)水中雙層金屬板的透聲性能進(jìn)行了研究，孫敏康等［12］運(yùn)用有限元和邊界元的方法對(duì)球鼻首導(dǎo)流罩的聲學(xué)性能進(jìn)行了研究。對(duì)于像艦船球鼻首導(dǎo)流罩這樣幾何形狀不規(guī)則、物性不均勻、邊界條件和初始條件復(fù)雜結(jié)構(gòu)的聲性能計(jì)算問題，解析解是很困難的，一般只能運(yùn)用數(shù)值解法。

本文采取有限元法進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果表明：在特定的頻段內(nèi)，要達(dá)到一樣的聲學(xué)性能，如果板厚增加，與其所對(duì)應(yīng)的雙殼間距需要增加，才能滿足聲學(xué)性能要求（圖14），從而從聲學(xué)性能方面驗(yàn)證了錯(cuò)層式球鼻首導(dǎo)流罩這一新型結(jié)構(gòu)形式的可行性。

5 結(jié)論

通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析、聲學(xué)性能分析表明：本文提出的錯(cuò)層式鈦合金球鼻首導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)形式是可行的，與現(xiàn)有的鈦合金導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)形式相比其水密性有較大提高，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和聲學(xué)性能同樣能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能夠解決現(xiàn)有球鼻首導(dǎo)流罩底部不能透聲的問題，滿足特殊的聲學(xué)性能要求，可適用于設(shè)計(jì)有特殊透聲要求的球鼻首導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)。

［1］ 邵開文，馬運(yùn)義.艦船技術(shù)與設(shè)計(jì)概論［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社.2005.

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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

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心專項(xiàng)基金（BZJ）

金武雷（1980-），男，碩士，工程師。研究方向：水面艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。E-mail：jinwulei@163.com

周心桃（1969-），女，碩士，高級(jí)工程師。研究方向：水面艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳昆淵（1941-），男，研究員。研究方向：水面艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)