碳纖維復(fù)合材料剪刀式折疊坦克沖擊橋的設(shè)計(jì)

何斌　李明彬

摘要：從結(jié)構(gòu)形式、材料選擇、連接形式等方面介紹了碳纖維復(fù)合材料剪刀式折疊沖擊橋的方案設(shè)計(jì)，并通過有限元分析驗(yàn)證了碳纖維復(fù)合材料在剪刀式折疊坦克沖擊橋中應(yīng)用的可能性。

關(guān)鍵詞：有限元;沖擊橋;碳纖維;復(fù)合材料

中圖分類號(hào)：U441+.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.10.063

為了使軍用（民用）設(shè)備快速通過溝塹、河流等障礙執(zhí)行既定任務(wù)，需要配備應(yīng)急保障設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)對(duì)小于25 m寬度的溝塹、河流，應(yīng)急保障設(shè)備主要采用（可折疊）的坦克沖擊橋。剪刀式折疊沖擊橋是將沖擊橋立起，然后沿溝塹、河流寬度放下，使用中目標(biāo)較大，將其立起約10 m高，但架橋車受載小。目前國(guó)內(nèi)的沖擊橋（12 - 24 m寬）主要有84式坦克架橋車（平推式折疊橋）、84式重型機(jī)械化橋（剪刀式折疊橋）[1]。國(guó)內(nèi)的沖擊橋均是采用鋼制造和焊接，自身質(zhì)量大，運(yùn)輸和收起、展開困難，在可行情況下迫切需要減重。

本文主要針對(duì)剪刀式折疊坦克沖擊橋進(jìn)行研究，由于剪刀式折疊坦克沖擊橋可軍民兩用，并且對(duì)架橋車施加載荷小，因此主要針對(duì)該種折疊沖擊橋?qū)?fù)合材料設(shè)計(jì)的可行性進(jìn)行研究。

1 沖擊橋的設(shè)計(jì)

沖擊橋?qū)儆谔箍?裝甲車的車載結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，沖擊橋的外廓尺寸為24 mx3.6 mx0.54 m（長(zhǎng)×寬×高）。

沖擊橋單間質(zhì)量不大于16 t，沖擊橋表面應(yīng)光滑無毛刺。沖擊橋主體材料選用碳纖維700系列/環(huán)氧樹脂材料體系（工字梁、中間加強(qiáng)梁和連接梁），傳統(tǒng)的復(fù)合材料抗沖擊能力差，由沖擊載荷確定的設(shè)計(jì)許用值偏低[2]，因此上下面板采用耐磨硬鋁合金。沖擊橋主要為工字梁結(jié)構(gòu)，由工字梁、上部面板、下部底板、中間加強(qiáng)梁和連接梁、連接接頭組成，各部件之間通過機(jī)械連接（螺栓連接）組合而成，沖擊橋構(gòu)件及結(jié)構(gòu)布局如圖1、圖2所示。

為減輕質(zhì)量和防腐蝕，所有緊固件（螺栓）的材料均選用鈦合金。沖擊橋復(fù)合材料表面噴涂清漆，采用防靜電底漆+面漆。沖擊橋金屬制件表面處理采用硫酸陽極化方法。

對(duì)于沖擊橋的質(zhì)量控制，主要采用低密度、高強(qiáng)度的材料體系，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，并采用先進(jìn)制造技術(shù)，嚴(yán)格控制尺寸公差，提高制造質(zhì)量，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量。沖擊橋質(zhì)量組成如表1所示。

2 有限元分析

坦克質(zhì)量為50t，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，考慮沖擊載荷，取沖擊系數(shù)0.1，則沖擊力為5t，考慮1.2倍安全系數(shù)，設(shè)計(jì)載荷為F1.2x（50+5） =66 t，沖擊橋金屬接頭考慮1.15的附加安全系數(shù)。利用PATRAN軟件對(duì)沖擊橋進(jìn)行有限元建模，沖擊橋有限元模型如圖3所示，主要由上部面板、下部底板、工字梁、中間加強(qiáng)梁及連接梁組成。

沖擊橋主題材料碳纖維700系列/環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能如表2所示。結(jié)構(gòu)鋪層為準(zhǔn)各向同性鋪層，上下面板選用耐磨7075合金。

約束分別在距兩端1m位置簡(jiǎn)支約束（一端約束123自由度，另一端約束23自由度放開長(zhǎng)度方向約束），坦克按照GJB 435-1988中規(guī)定的坦克履帶尺寸選擇加載范圍，同時(shí)對(duì)橋梁本身施加自重。

考慮坦克車隊(duì)通過沖擊橋，按常規(guī)坦克間距6m，沖擊橋上可同時(shí)最多有3輛坦克。沖擊橋有限元載荷與邊界條件如圖4所示。

從有限元結(jié)果中提取橋梁最大變形為321 mm，彎曲引起長(zhǎng)度自由端向內(nèi)滑移25.8 mm。最大應(yīng)力應(yīng)變均出現(xiàn)在上下面板上，最大應(yīng)力為142 MPa，材料屈服強(qiáng)度為500 MPa，安全裕度足夠，靜強(qiáng)度滿足要求。坦克沖擊橋變形和面板云圖如圖5、圖6所示。

復(fù)材最大拉應(yīng)變?yōu)? 820με，最大壓應(yīng)變?yōu)?1 470με，復(fù)材許用拉應(yīng)變?nèi)? 300με，許用壓應(yīng)變?nèi)?3 300με，則拉伸安全裕度MSF5 300/1820 - 1=1.91>0.壓縮安全裕度MSc=3 300/1 470 - 1=1.24>0，靜強(qiáng)度滿足要求。復(fù)合材料拉壓應(yīng)變?cè)茍D如圖7所示。

由于屈曲是壁板類制件的主要破壞形式[3]，計(jì)算了橋梁的臨界失穩(wěn)載荷系數(shù)，為8.5，穩(wěn)定性安全裕度很大。沖擊橋穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖8所示。

3 結(jié)論與思考

從力學(xué)和質(zhì)量角度來說，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)相對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)主要優(yōu)勢(shì)在于比強(qiáng)度高、比剛度較好，同時(shí)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可以做成整體結(jié)構(gòu)，節(jié)省裝配質(zhì)量。

有限元驗(yàn)證表明碳纖維復(fù)合材料剪刀式折疊坦克沖擊橋滿足設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)的沖擊橋質(zhì)量為12.3 t，相較于同規(guī)格的沖擊橋體現(xiàn)出了減重效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]張銀龍，茍明康，梁川.軍用橋梁穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法的發(fā)展[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2008（2）：62-65.

[2]馬元春.縫紉泡沫夾層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性試驗(yàn)研究[J].科技與創(chuàng)新，2017（ 16）：74-75.

[3]馬元春.縫紉泡沫夾層結(jié)構(gòu)屈曲研究[J].科技與創(chuàng)新，2017（ 18）： 48-49.