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(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088;2.國家級工業(yè)設(shè)計中心(中電38所)，安徽 合肥 230088)

0 引言

飛艇是一種由發(fā)動機驅(qū)動、輕于空氣并可以操縱的航空器[1]，實現(xiàn)長時間低速機動飛行，具有飛行高度高、覆蓋范圍大、信息獲取與傳輸能力強、可快速布置和轉(zhuǎn)移等優(yōu)勢，具有較高的軍事應(yīng)用價值，在國防安全體系中具有重要的作用和地位。鼻錐裝置位于飛艇頭部，作為飛艇系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)部件，其作用主要用于飛行過程中維持艇體頭部氣動外形[2]，減小艇體表面應(yīng)力集中；同時確保飛艇在地面系留狀態(tài)有效緩沖、分散錨泊裝置集中載荷。

對軟式飛艇，鼻錐結(jié)構(gòu)沿艇囊縱向中心線呈圓周分布并從艇首中心向外發(fā)散，同時沿艇囊向后延伸一定距離[3]。傳統(tǒng)的飛艇和系留氣球的鼻錐結(jié)構(gòu)通常采用沿艇體向后延伸的硬式管狀骨架焊接結(jié)構(gòu)+延艇體圓周方向均勻分布的斜拉索布局形式，但此結(jié)構(gòu)布局的鼻錐重量大、拉索安裝調(diào)節(jié)不便，且難以實現(xiàn)輕量化設(shè)計。

為此，依據(jù)輕量化設(shè)計原理，從鼻錐結(jié)構(gòu)布局、材質(zhì)輕量化設(shè)計及工藝成形優(yōu)化設(shè)計等方面，合理確定鼻錐高度與鼻錐固定圓環(huán)尺寸，采用薄壁一體化芯軸組件+變截面腹板式鉚接骨架的主體鼻錐結(jié)構(gòu)形式，同時取消均布斜拉索布局，代之沿艇體縱向加強的桁條連接結(jié)構(gòu)形式，有效減小艇體表面應(yīng)力集中，提升艇首抗褶皺能力。

1 設(shè)計要求

綜合飛艇鼻錐實際使用工況：地面系留、空中巡航、水平/側(cè)滑著陸及地面牽引操作。該鼻錐的設(shè)計要求如下：

a. 功能要求。飛艇地面系留時，鼻錐結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)一定角度的橫滾和俯仰功能，與錨泊塔頂鎖緊裝置安全可靠連接，并可有效緩沖、分散錨泊裝置集中載荷；地面系留過程中，鼻錐頭部具有地面牽引操作功能；空中巡航時，鼻錐結(jié)構(gòu)可將艇首所受的氣動載荷均勻地傳遞給囊體，保持艇體良好的氣動外形，防止發(fā)生褶皺變形。

b. 剛強度要求。鼻錐應(yīng)具有足夠的剛強度，可承受飛艇的凈浮力、氣動載荷和沖擊載荷。

c. 輕量化設(shè)計要求。鼻錐結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能采用輕質(zhì)高強度材料，根據(jù)飛艇重量重心設(shè)計和控制要求，鼻錐結(jié)構(gòu)質(zhì)量≤14 kg。

d. 裝配架設(shè)及運輸要求。鼻錐結(jié)構(gòu)應(yīng)進行模塊化可重組快速連接設(shè)計，裝配工序簡便高效，拆卸后滿足三級公路運輸要求。

2 鼻錐結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計

2.1 輕量化設(shè)計原理

飛艇鼻錐結(jié)構(gòu)按照強度準則設(shè)計校核，鼻錐剛強度既要滿足地面系留狀態(tài)時，分散錨泊裝置集中載荷，又可保持巡航狀態(tài)艇體頭部氣動外形，防止艇首發(fā)生褶皺變形，并將氣動載荷均勻地傳遞給囊體。綜合鼻錐實際使用工況，飛艇鼻錐同時承受拉伸載荷、彎曲載荷、扭轉(zhuǎn)載荷和循環(huán)交變彎曲載荷工況，依據(jù)結(jié)構(gòu)輕量化通用設(shè)計準則[4]可得：

(1)

2.2 鼻錐輕量化結(jié)構(gòu)布局設(shè)計

所設(shè)計的鼻錐結(jié)構(gòu)是一種能覆蓋飛艇頭部的全包圍式錐形結(jié)構(gòu)，由排列規(guī)則的相同斜撐骨架和桁條組成，從艇首中心沿圓周擴散，并沿艇囊縱向延伸一定距離，將集中載荷均勻擴散至飛艇囊體。

鼻錐結(jié)構(gòu)主要由芯軸組件、斜撐骨架、固定圓環(huán)和桁條等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，芯軸組件為薄壁一體化高強度鋼材料構(gòu)成的傘形結(jié)構(gòu)，由管型芯軸、錐形及U型壁板組成的一體式結(jié)構(gòu)，用于承載分散飛艇頭部集中載荷；斜撐骨架依據(jù)等強度原理設(shè)計為變截面腹板式鉚接骨架結(jié)構(gòu)形式，以芯軸組件為中心均勻輻射分布，從芯軸組件連接端逐漸過渡至固定圓環(huán)，呈變截面結(jié)構(gòu)分布，斜撐骨架與芯軸組件連接處較強，斜撐骨架與固定圓環(huán)根部較弱，有效減輕斜撐骨架重量；固定圓環(huán)通過綁扎帶與飛艇囊體綁扎連接，將飛艇頭部集中載荷有效分散到艇體；縱向桁條與固定圓環(huán)鉸接連接，確保鼻錐斜撐骨架縱向連續(xù)性，承受艇囊縱向末端載荷，不僅保證艇體氣動外形，同時將錨泊裝置的反作用載荷分布到艇體，既可傳遞水平方向拉力還可承受側(cè)向力，避免了鼻錐桁條環(huán)繞艇囊自身扭轉(zhuǎn)，減小艇體表面應(yīng)力集中及艇首褶皺變形。

圖1 鼻錐結(jié)構(gòu)示意

2.3 輕量化舉措

依據(jù)輕量化設(shè)計原理，全包圍式鼻錐結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計通過如下途徑實現(xiàn)：結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化、材質(zhì)輕量化及成形工藝優(yōu)化[5]。

2.3.1 結(jié)構(gòu)形式輕量化設(shè)計

鼻錐結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)傘形撐管骨架+斜拉索結(jié)構(gòu)，代之全包圍式薄壁芯軸組件+變截面腹板式骨架的主體結(jié)構(gòu)，同時輔助采用管型桁條連接結(jié)構(gòu)形式，可有效分散集中載荷，減小應(yīng)力集中，實現(xiàn)輕量化設(shè)計。

2.3.2 材質(zhì)輕量化設(shè)計

鼻錐芯軸組件輕量化采用高強度鋼板強度等代設(shè)計方法，其材料由傳統(tǒng)的普通鋼材料更換為30CrMnSiA高強度薄壁鋼板材料；鼻錐斜撐骨架采用高強度鋁合金薄壁型材和鋁合金薄壁腹板結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)輕量化設(shè)計。

2.3.3 工藝成形優(yōu)化設(shè)計

鼻錐芯軸組件由傳統(tǒng)的鋼材焊接更換為高強鋼一體化機加成型方式，減小應(yīng)力集中并可有效防止焊后變形；斜撐骨架成型采用高強度鋁合金薄壁型材與板材鉚接成型工藝，相對管材焊接成型，工藝簡單，拆裝靈活，韌性強且質(zhì)量輕。

經(jīng)測試及試驗驗證，鼻錐結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計后質(zhì)量為13 kg，輕量化率為85%，有效減輕鼻錐結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

3 有限元校核分析

鼻錐是飛艇地面系留時的主要受力部件，校核其結(jié)構(gòu)的強度尤為必要。依據(jù)鼻錐的結(jié)構(gòu)形式和實際應(yīng)用工況，建立有限元分析模型，對鼻錐在極限載荷工況下的結(jié)構(gòu)強度和剛度響應(yīng)進行有限元仿真校核分析。

3.1 結(jié)構(gòu)材料

鼻錐結(jié)構(gòu)主要由30CrMnSiA高強度鋼結(jié)構(gòu)與2A12鋁合金壁板組成，材料力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1 鼻錐結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能參數(shù)

3.2 載荷工況

飛艇鼻錐結(jié)構(gòu)具有地面系留、空中巡航、水平著陸及側(cè)滑著陸4種工況，在此，以飛艇在地面系留狀態(tài)，25 m/s風(fēng)速計算載荷工況條件，作用在飛艇鼻錐上的外載荷可分為軸向載荷Fx、側(cè)向載荷Fy和垂向載荷Fz，各載荷大小如表2所示。

表2 鼻錐載荷 kN

3.3 邊界條件

根據(jù)鼻錐結(jié)構(gòu)與艇體連接形式，約束鼻錐加強圓環(huán)，在鼻錐頂部進行載荷加載。

3.4 有限元分析結(jié)果

借助ABAQUS有限元分析軟件對鼻錐主體結(jié)構(gòu)進行靜強度分析。計算結(jié)果表明,在地面系留狀態(tài)，飛艇鼻錐結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力位于芯軸組件與斜撐骨架連接根部，最大變形位移位于斜撐骨架中部區(qū)域，其應(yīng)力云圖及變形云圖分別如圖2和圖3所示。

圖2 應(yīng)力云圖

圖3 變形云圖

鼻錐各組件的最大應(yīng)力和安全系數(shù)如表3所示。

表3 鼻錐強度仿真分析結(jié)果

為驗證鼻錐結(jié)構(gòu)對艇體材料和氣動外形的影響，維持飛艇主氣囊剛度，確保不發(fā)生褶皺變形，將鼻錐與艇體裝配后，針對飛艇地面系留工況，對主囊體進行有限元分析，其應(yīng)力與變形分別如圖4與圖5所示。

圖4 頭錐與囊體應(yīng)力

圖5 頭錐與囊體變形

為保持艇體剛度，主氣囊須在最大彎矩作用下仍可以保持張緊，根據(jù)有限元計算結(jié)果：艇體材料的最大張力為104 N/cm，最大變形為198 mm，滿足設(shè)計指標要求。

4 結(jié)束語

依據(jù)輕量化設(shè)計原理，從鼻錐結(jié)構(gòu)布局、構(gòu)件材質(zhì)輕量化選擇及工藝成形優(yōu)化等方面進行輕量化設(shè)計，構(gòu)建了一種全包圍式飛艇鼻錐結(jié)構(gòu)，采用薄壁一體化芯軸組件+變截面腹板式鉚接骨架的鼻錐結(jié)構(gòu)形式，鼻錐根部與艇囊剛?cè)狁詈线B接區(qū)域通過管狀桁條連接，有效減小艇體表面應(yīng)力集中，防止褶皺變形。同時，借助有限元分析軟件針對極限載荷工況下的鼻錐結(jié)構(gòu)進行剛強度校核分析，經(jīng)試驗測試，該鼻錐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，有效地實現(xiàn)了輕量化設(shè)計。