一种与碳纤维艇体一体成型的武器基座结构及其设计方法与流程

1.本发明属于船舶工程船体结构设计领域，具体涉及一种与碳纤维艇体一体成型的武器基座结构及其设计方法。


背景技术：

2.为有效降低艇体重量、增强无人艇的隐身性能，艇体结构采用碳纤维复合材料。遥控机枪等武器在船体甲板上工作时，对安装基座施加自重静载荷和冲击载荷。因此，武器基座一般采用具有较高强度和刚度的金属材料，如轻质铝合金板，或采用根据武器基座受力进行针对性铺层设计的碳纤维层合板。不同于金属材质船体，基座无法采用焊接方式直接安装在碳纤维艇体上。那怎样将武器基座安设在碳纤维复合材料艇体上就成为研究的重点。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种与碳纤维艇体一体成型的武器基座结构及其设计方法，该结构及设计方法通过将武器基座预埋在碳纤维艇体内，解决了武器基座在碳纤维艇体上的安装难点。
4.本发明所采用的技术方案是：
5.一种与碳纤维艇体一体成型的武器基座结构，其包括预埋在碳纤维艇体甲板上的武器基座，且所述武器基座置于碳纤维艇体甲板的凹槽处；所述武器基座上设有便于与武器连接的螺栓孔。
6.按上述方案，在武器基座与碳纤维艇体甲板之间设有pvc夹芯层，且pvc夹芯层和武器基座的上下表面采用碳纤维蒙皮封装，以提高武器基座结构的强度和刚度。
7.按上述方案，武器基座与pvc夹芯层连接面处采用结构胶胶接；所述武器基座为铝合金/复合材料层合板基座。
8.按上述方案，凹槽的立壁，及立壁两端的环形甲板为增厚甲板；增厚甲板的厚度为碳纤维艇体甲板厚度的1.4～1.8倍；以提高武器基座结构的强度和刚度。
9.按上述方案，pvc夹芯层的厚度与碳纤维艇体甲板的厚度相同。
10.按上述方案，立壁与环形甲板的连接处圆形倒角(立壁与环形甲板的连接角隅区圆形倒角)，以降低角隅区应力集中现象。
11.按上述方案，所述圆形倒角的半径为40-60mm。
12.按上述方案，武器基座下设有横舱壁，该横舱壁的下端与龙骨连接；在横舱壁旁设置有横舱壁垂向加强筋，横舱壁垂向加强筋的上端与与甲板纵桁连接，横舱壁垂向加强筋的下端与龙骨连接；进一步增加武器基座区域的强度和刚度。
13.按上述方案，第一肘板呈三角形，其一边与横舱壁垂向加强筋连接，另一边与甲板纵桁连接；
14.第二肘板呈三角形，其一边与横舱壁垂向加强筋连接，另一边与龙骨连接。
15.本发明还提供一种与碳纤维艇体一体成型的武器基座结构的设计方法，所述方法包括如下步骤：
16.(1)基座预埋件材料选型
17.根据无人艇典型武器安装对强度、刚度、冲击/温度、应力释放等方面性能参数的需求，以及根据碳纤维艇体结构特点，选择t700碳纤维增强pmi树脂复合材料板或高强度铝合金板作为预埋的武器基座，通过力学分析对复合材料板碳纤维铺层方式或高强度铝合金板厚度，以及基座艇体船体结构形式等进行针对性优化设计，以满足武器发射对基座及艇体的强度、刚度、成本、温度等多种参数综合需求；
18.(2)一体化基座结构强度、刚度分析
19.1)有限元建模
20.针对复合材料武器基座结构方案，按照基座实际尺寸进行有限元建模分析，节点总数不低于46000个；利用通用有限元计算软件进行网格划分和有限元分析，对其中涉及到的特殊复合材料以及加强模型，进行扩展分析；
21.2)施加基座载荷及边界条件
22.基座有限元模型建立后，需要施加波浪载荷、摇摆惯性力、飞溅水压力、以及武器发射冲击等基座载荷，设置相应位移边界条件，为有限元计算打下基础；
23.3)计算求解
24.根据有限元模型，以及设置的边界条件，开展基座结构动力学分析；
25.4)一体化基座结构强度、刚度评估
26.分析有限元计算结果，对一体化基座结构刚度、强度进行评估，若评估结果表明基座及其预埋件满足设计要求，则完成该部分的有限元分析计算，否则重新迭代模型参数，修改设计方案；
27.(3)基座预埋件一体化成型工艺设计
28.根据武器基座结构设计方案，设计武器基座预埋一体化成型工艺，综合考虑材料受温度、湿度、气压以及结构应力释放等因素影响；武器基座预埋件采用t700碳纤维预浸料来成型上下蒙皮，泡沫夹心采用轻质、高强度、耐高温的pmi泡沫，泡沫芯和预埋件与上下蒙皮之间采用结构胶膜连接；
29.具体成型工艺流程分为模具准备、原材料下料、产品铺贴、产品固化、产品脱模和机加工六个步骤；模具需要根据成型结构特征进行定制，模具铺贴面需提前用专用脱模剂擦涂；原料下料前需要制作产品铺贴下料图，将制作好的下料图导入自动下料机；在模具中按照铺层设计角度铺贴预浸料；铺贴结束后，采用热压罐高温固化成型工艺完成预埋式基座的固化成型；再将固化好的产品，按照武器设备安装需求通过机加工机加安装孔。
30.本发明的有益效果在于：
31.通过将武器基座预埋在碳纤维艇体甲板内(碳纤维艇体甲板与武器基座采用一次成型制造)，解决了武器基座无法采用焊接方式直接安装在碳纤维艇体上问题；
32.采用下沉式碳纤维船体武器基座结构设计，确保了武器基座结构具有良好的强度和刚度，能较好地满足武器作战使用要求；
33.采用该设计方法设计的武器设备基座与艇体一体化成型，基座无需采用焊接等其他方式与碳纤维艇体相连，通过对基座结构优化设计及力学分析，保证了具有良好的强度
和刚度，能较好的满足武器作战使用需求。
附图说明
34.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
35.图1是与碳纤维艇体一体成型的武器基座结构的平面结构示意图；
36.图2是图1中a-a剖视图；
37.图3是图2中的a1放大图；
38.图中：1、武器基座，2、增厚甲板，2.1、立壁，2.2、环形甲板，3、横舱壁，4、碳纤维艇体甲板，5、甲板纵桁，6、横舱壁垂向加强筋，7.1、第一肘板,7.2、第二肘板，8、龙骨，9、碳纤维蒙皮，10、pvc夹芯层，11、凹槽，12、螺栓孔，13、结构胶，14、圆形倒角。
具体实施方式
39.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
40.一种与碳纤维艇体一体成型的武器基座结构的设计方法，该方法包括如下步骤：
41.(1)碳纤维艇体甲板上的武器基座材料选型
42.根据无人艇典型武器安装对强度、刚度、冲击/温度以及应力释放的性能参数需求，以及碳纤维艇体结构特点，选择t700碳纤维增强pmi树脂复合材料板或高强度铝合金板作为碳纤维艇体甲板上的武器基座材料；通过力学分析对碳纤维艇体甲板上的武器基座的铺层方式或高强度铝合金板厚度，以及基座艇体船体结构形式进行针对性优化设计，以满足武器发射对基座及艇体的强度、刚度、成本、温度参数综合需求；
43.(2)一体化基座结构强度、刚度分析
44.1)有限元建模
45.针对碳纤维艇体甲板上的武器基座的结构，按照基座实际尺寸进行有限元建模分析，节点总数不低于46000个；
46.2)施加基座载荷及边界条件
47.基座有限元模型建立后，施加基座载荷，设置相应位移边界条件，为有限元计算打下基础；所述基座载荷为波浪载荷、摇摆惯性力、飞溅水压力、武器发射冲击；
48.3)计算求解
49.根据有限元模型，以及设置的边界条件，开展基座结构动力学分析；
50.4)一体化基座结构强度、刚度评估
51.分析有限元计算结果，对一体化基座结构刚度、强度进行评估，若评估结果表明基座及其预埋件满足设计要求，则完成该部分的有限元分析计算，否则重新迭代模型参数，修改设计方案；
52.(3)基座预埋件一体化成型工艺设计
53.根据结构设计方案，设计基座预埋件一体化成型工艺，综合考虑材料受温度、湿度、气压以及结构应力释放等因素影响。
54.该方法中，采用abaqus软件建立有限元模型，其主要难点为abaqus软件无法对梁
单元进行铺层设计，且abaqus软件预定义的梁截面没有碳纤维艇体所用加强筋——帽型筋的截面形式；因此先采用二维可变形壳体根据帽型筋实际尺寸建立截面形状，再根据铺层层数进行虚拟切割，创建局部坐标系，根据铺层方向分别对每一层赋予材料和方向，选择warp2d4单元进行网格划分，创建job并提交分析，分析完成后生成的bsp文件就包括截面的主要特性，将bsp文件写入一体化成型基座分析的inp文件进行计算即可。
55.碳纤维艇体板和预埋件有限元模型则使用abaus软体提供的壳单元，泡沫夹芯采用三维实体单元。帽型筋、上下蒙皮、泡沫芯材、基座预埋件之间采用tie连接。其次，由于武器发射时对基座的作用力为冲击载荷，因此需要采用动力学计算分析模块对基座进行分析，将武器发射作用力拟合成随时间变化的函数施加在基座上。计算结束后，提取基座应力及应变随时间变化的计算结果，评估分析基座及艇体结构设计是否满足要求。
56.参见图1-图3，一种与碳纤维艇体一体成型的武器基座结构，其包括预埋在碳纤维艇体甲板4上的铝合金/复合材料层合板武器基座1(武器基座1嵌入碳纤维艇体甲板4中)。为满足武器射界和降低艇体重量重心要求，武器基座1置于碳纤维艇体甲板4的凹槽11处。武器基座1上设有便于与武器连接的螺栓孔12。为了提高武器基座结构的强度和刚度，在武器基座1与碳纤维艇体甲板4之间设有pvc夹芯层10，武器基座1与pvc夹芯层10连接面处采用结构胶13胶接；pvc夹芯层10和武器基座1的上下表面采用碳纤维蒙皮9封装。
57.进一步保证碳纤维艇体甲板4在下沉转折处有足够的强度，凹槽11的立壁2.1，及立壁2.1两端的环形甲板2.2为增厚甲板2；为了降低碳纤维艇体甲板4局部下沉形成的角隅区域的应力集中水平，立壁2.1与环形甲板2.2的连接处圆形倒角14，圆形倒角的半径为50mm；增厚甲板2的厚度为碳纤维艇体甲板4厚度的1.6倍；pvc夹芯层10的厚度与碳纤维艇体甲板4的厚度相同。
58.为了进一步提高武器基座结构的强度和刚度，武器基座1下设有横舱壁3，该横舱壁3的下端与龙骨8连接；在横舱壁3旁设置有横舱壁垂向加强筋6，横舱壁垂向加强筋6的上端与与甲板纵桁5连接(甲板纵桁5为艇体原有结构)，横舱壁垂向加强筋6的下端与龙骨8连接。第一肘板7.1呈三角形，其一边与横舱壁垂向加强筋6连接，另一边与甲板纵桁5连接；第二肘板7.2呈三角形，其一边与横舱壁垂向加强筋6连接，另一边与龙骨8连接。
59.应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。