深海变口径碳纤维复合材料适配器结构与安全设计

张炜权; 潘阳; 李开福; 杨弓熠; 贾国涛; 武海鹏

doi:10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0072

深海变口径碳纤维复合材料适配器结构与安全设计

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0072

1.
中国船舶集团有限公司第705研究所昆明分部, 云南昆明, 650032
2.
哈尔滨玻璃钢研究院, 黑龙江哈尔滨, 150028

详细信息

作者简介:
张炜权(1990-), 男, 硕士, 工程师, 主要研究方向为水下发射装置

中图分类号: TJ630; U663
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2022-11-13
- 修回日期: 2023-01-04
- 网络出版日期: 2023-11-14

Structure and Safety Design of Carbon Fiber Composite Material Adapter with Variable Caliber in Deep Sea

1.
Kunming Branch of the 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Kunming 650032, China
2.
Harbin FRP Institute Co., Ltd., Harbin 150028, China

摘要

摘要: 为实现水下平台发射装置变口径发射能力, 开展了深海耐压和强尺寸质量约束条件下的变口径适配器结构与安全设计研究。文中适配器采用碳纤维复合材料栅状管结构形式, 在工作压力、试验压力、发射膛压和发射集中力4种工况下开展结构仿真分析, 并分析不同工况下的器材离管安全性。研究结果表明, 文中设计的适配器满足深海耐压和强尺寸质量约束条件(长度≥3000 mm、质量≤60 kg)下的结构强度要求, 设计的1∶5战斗锥度满足器材安全出管要求, 实现了发射装置变口径发射能力。研究成果可为水下平台发射装置适配器的设计提供参考, 适配器结构强度及离管安全性分析结果可指导适配器环境试验及陆上试验。
- 水下平台 /
- 发射装置 /
- 适配器 /
- 碳纤维复合材料 /
- 结构强度 /
- 安全性分析
Abstract: In order to realize the variable caliber launching capability of an underwater platform launcher, the structure and safety design of a variable caliber adapter under the deep-sea pressure resistance and the strong dimensional weight constraints were studied in this paper. The adapter adopted the grid tube structure of carbon fiber composite materials. The structure simulation analysis was carried out under four working conditions, including working pressure, test pressure, launch chamber pressure, and launch concentration force, and the safety of the equipment leaving the launch tube under different working conditions was analyzed. The results show that the designed adapter meets the structural strength requirement under the deep-sea pressure resistance and the strong dimensional weight constraints (length ≥ 3 000 mm, weight ≤ 60 kg), and the designed 1∶5 battle taper meets the requirements of the equipment leaving the launch tube safely, realizing the variable diameter launching capability of the launcher. The research results of this paper can provide a reference for the design of the adapter for the underwater platform launcher, and the results of the structural strength analysis of the adapter and safety analysis of equipment leaving the launch tube can guide the adapter environment test and land test.
- underwater platform /
- launcher /
- adapter /
- carbon fiber composite material /
- structural strength /
- safety analysis

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图 1 适配器组成图

Figure 1. Composition of adapter

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图 2 适配器管体组成图

Figure 2. Composition of adapter tube

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图 3 适配器管体网格划分

Figure 3. Grid division of adapter tube

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图 4 适配器仿真工况

Figure 4. Simulated working conditions of adapter

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图 5 工作压力工况下适配器变形和应力云图

Figure 5. Deformation and stress contours of the adapter under working pressure condition

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图 6 试验压力工况下适配器变形和应力云图

Figure 6. Deformation and stress contours of adapter under test pressure

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图 7 发射膛压作用下适配器变形和应力云图

Figure 7. Deformation and stress contours of adaptor under launch chamber pressure

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图 8 发射集中力作用下变形和应力云图

Figure 8. Deformation and stress contours of adaptor under launch concentration force

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图 9 适配器管体锥度示意图

Figure 9. Adapter tube taper

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图 10 不同出管时刻器材与适配器相对位置(工况1)

Figure 10. Relative position between adaptor and equipment leaving the launch tube at different times (working condition 1)

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图 11 不同出管时刻器材与适配器相对位置(工况2)

Figure 11. Relative position between adaptor and equipment leaving the launch tube at different times (working condition 2)

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表 1 材料性能参数

Table 1. Material performance parameters

序号	材料名称	性能指标	设计值	测试值
1	环氧树脂6150	环氧当量	185~200	186.150
2	环氧稀释剂	环氧值	0.70~0.80	0.757
3	碳纤维 SYT49S/TZ700S	束纱拉伸强度/MPa	≥4500	4928.04
3	碳纤维 SYT49S/TZ700S	束纱拉伸模量/MPa	≥210	237.66
4	碳纤维预浸布 H3K-CP200	厚度/mm	0.26±0.02	0.26
5	高强玻璃纤维 SC-1200	束纱拉伸强度/MPa	≥2500	3415.54
6	PMI泡沫塑料 (XK200)	压缩强度/MPa	≥7	9.34
		弹性模量/MPa	≥170	224.60
		剪切模量/MPa	≥80	125.08
		剪切强度/MPa	≥2.9	4.21
		压缩强度/MPa	≥6.0	8.55
		密度/(g/cm³)	0.200±0.025	0.2104

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表 2 碳纤维复合材料单向板参数

Table 2. Parameters of one-way plate of carbon fiber composite material

材料属性	数值
纤维方向拉伸模量/GPa	120
纤维方向拉伸强度/MPa	1800
纤维方向压缩模量/GPa	100
纤维方向压缩强度/MPa	750
垂直于纤维方向拉伸模量/GPa	8.0
垂直于纤维方向拉伸强度/MPa	20
垂直于纤维方向压缩模量/GPa	8.0
垂直于纤维方向压缩强度/MPa	110
泊松比	0.3
剪切模量/GPa	4.8
面内剪切强度/MPa	50
密度/(g/cm³)	1.6

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表 3 钛合金TA4材料参数

Table 3. Titanium alloy TA4 material parameters

材料属性	数值
抗拉强度/MPa	580
拉伸强度/MPa	380
伸长率/%	10
压缩率/%	25
密度/(kg/m³)	4511
弹性模量/MPa	1.03×10⁵
泊松比	0.34

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表 4 工作压力工况仿真结果

Table 4. Simulation results of working pressure condition

序号	参数	仿真值	设计值
1	整体位移/mm	0.026 45	—
2	蒙皮最大径向位移/mm	0.016 84	—
3	纤维方向压缩应力/MPa	10.060 00	≤750
4	垂直纤维方向压缩应力/MPa	1.469 00	≤110
5	纤维面内剪切应力/MPa	0.404 40	≤50

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表 5 试验压力工况仿真结果

Table 5. Simulation results of test pressure condition

序号	参数	仿真值	设计值
1	整体位移/mm	0.039 67	—
2	外侧蒙皮最大径向位移/mm	0.025 26	—
3	纤维方向压缩应力/MPa	15.100 00	≤750
4	垂直纤维方向压缩应力/MPa	2.204 00	≤110
5	纤维面内剪切应力/MPa	0.606 70	≤50

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表 6 发射膛压作用下适配器仿真结果

Table 6. Simulation results of adaptor under launch chamber pressure

序号	参数	仿真值	设计值
1	整体位移/mm	0.108 4	—
2	蒙皮最大径向位移/mm	0.102 7	—
3	纤维方向拉伸应力/MPa	8.282 0	≤1 800
4	纤维方向压缩应力/MPa	48.040 0	≤750
5	垂直于纤维方向拉伸应力/MPa	1.305 0	≤20
6	垂直于纤维方向压缩应力/MPa	1.154 0	≤110
7	纤维面内剪切应力/MPa	1.142 0	≤50
8	屈曲系数	12.587 0	≥1

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表 7 发射集中力作用下适配器仿真结果

Table 7. Simulation results of adapter under launch concentration force

序号	参数	仿真值	设计值
1	整体位移/mm	0.206 0	—
2	蒙皮最大径向位移/mm	0.117 6	—
3	纤维方向拉伸应力/MPa	47.220 0	≤1800
4	纤维方向压缩应力/MPa	32.500 0	≤750
5	垂直于纤维方向拉伸应力/MPa	6.581 0	≤20
6	垂直于纤维方向压缩应力/MPa	3.685 0	≤110
7	纤维面内剪切应力/MPa	4.937 0	≤50
8	金属支架Mises应力/MPa	198.800 0	≤600
9	屈曲系数	10.167 0	≥1

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参考文献(10)

[1]	王云飞, 张建国. 某导弹与适配器分离动作可靠性分析计算[J]. 航空学报, 2003, 24(4): 296-300. Wang Yunfei, Zhang Jianguo. Reliability analysis and calculation of the missile and adapter’s separating action[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2003, 24(4): 296-300.
[2]	卢丙举, 朱珠. 潜空导弹垂直发射出筒适配器受载变形仿真研究[J]. 舰船科学技术, 2017, 39(9): 139-142. Lu Bingju, Zhu Zhu. Adapter load and deformation of vertical launching submarine-to-air missile[J]. Ship Science and Technology, 2017, 39(9): 139-142.
[3]	张起, 李士军, 赵建波. 舰载导弹垂直发射时适配器动态特性研究[J]. 舰船科学技术, 2016, 38(5): 138-142. Zhang Qi, Li Shijun, Zhao Jianbo. The modeling and mechanical characteristics simulation of adapter in the vertical launching system[J]. Ship Science and Technology, 2016, 38(5): 138-142.
[4]	陈佳, 王志瑾. 复合材料格栅适配器优化设计[J]. 固体火箭技术, 2012, 35(1): 99-103. Chen Jia, Wang Zhijin. Optimum design for composite anisogrid adapters[J]. Journal of Solid Rocket Technology, 2012, 35(1): 99-103.
[5]	何景轩, 何国强, 侯晓, 等. 复合材料格栅结构稳定性分析[J]. 固体火箭技术, 2009, 32(3): 331-335. He Jingxuan, He Guoqiang, Hou Xiao, et al. Buckling load analysis of composite grid stiffened structure skirts[J]. Journal of Solid Rocket Technology, 2009, 32(3): 331-335.
[6]	Totaro G, Nicola F D. Optimization and manufacturing of composite cylindrical anisogrid structures[C]//AIAA/CIRA 13th International Space Planes and Hypersonics Systems and Technologies Conference. Capua, Italy: AIAA/CIRA, 2005.
[7]	陈章兴. 模压短切碳纤维复合材料刚度和强度的多尺度模型研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2019.
[8]	崔志兴. 碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备及性能研究[D]. 青岛: 中国海洋大学, 2014.
[9]	王威力, 武海鹏, 魏程, 等. 不同纤维增强复合材料层板低速冲击损伤研究[J]. 纤维复合材料, 2022, 39(2): 24-27. Wang Weili, Wu Haipeng, Wei Cheng, et al. Study on impact damage of different fiber reinforced composite laminate[J]. Fiber Composites, 2022, 39(2): 24-27.
[10]	孙洋. 碳纤维复合材料连接结构的强度分析及其影响因素[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2016.