本實(shí)用新型屬于水下航行器尾部結(jié)構(gòu)部件技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種水下航行器夾芯復(fù)合材料舵。

背景技術(shù)：

隨著各種新技術(shù)在水下航行器上的推廣應(yīng)用，要求在水下航行器設(shè)計(jì)時(shí)盡量減小結(jié)構(gòu)重量，為總體重量控制提供更大空間。同時(shí)，近年來艦艇主動(dòng)聲吶探測(cè)距離和精度不斷提高，要求水下航行器具有更好的阻尼性能和聲隱身性能。

舵結(jié)構(gòu)是水下航行器尾部重要結(jié)構(gòu)件，通常由上、下兩個(gè)方向舵，左、右兩個(gè)水平舵組成，主要功能是用于控制水下航行器航行的方向和深度，保持水下航行器航行的機(jī)動(dòng)性。水下航行器舵結(jié)構(gòu)凸出于航行器結(jié)構(gòu)體外表面，在航行時(shí)，易由于轉(zhuǎn)舵和水流激勵(lì)產(chǎn)生舵顫振，暴露水下航行器目標(biāo)位置。另一方面，舵結(jié)構(gòu)位于水下航行器尾部，其質(zhì)量對(duì)于水下航行器重心調(diào)整和重量控制具有重要作用，有效減輕舵結(jié)構(gòu)重量，可為水下航行器總體減重提供更大的空間。

目前水下航行器舵結(jié)構(gòu)一般采用低阻尼的鋁合金材料，結(jié)構(gòu)型式為實(shí)心結(jié)構(gòu)，但重量較大、阻尼減振效果有限。部分新型水下航行器舵采用了復(fù)合材料實(shí)心結(jié)構(gòu)，內(nèi)部采用短切纖維和樹脂進(jìn)行填充，外部采用樹脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行包覆，在減輕水下航行器尾部重量方面發(fā)揮了一定作用，但在控制舵結(jié)構(gòu)顫振、減輕舵結(jié)構(gòu)重量等方面仍有較大潛力。

復(fù)合材料指由兩種或兩種以上材料的獨(dú)立物理相通過物理或化學(xué)復(fù)合工藝組合或構(gòu)造，形成的新型細(xì)觀結(jié)構(gòu)構(gòu)形或新材料。常用的非金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)相包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、高強(qiáng)聚乙烯纖維等，基體包括環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂、酚醛樹脂等。

夾芯復(fù)合材料是指由上、下表層和中間芯層組成的多層結(jié)構(gòu)，其上下表層一般采用樹脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，中間芯層可選擇耐壓、高阻尼特性的發(fā)泡類材料。水下航行器采用夾芯復(fù)合材料舵結(jié)構(gòu)，替代原鋁合金實(shí)心舵結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料實(shí)心舵結(jié)構(gòu)，能夠獲得更好的阻尼減振性能，并有效減輕水下航行器尾部結(jié)構(gòu)重量。

現(xiàn)有和曾經(jīng)有的關(guān)于舵系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)對(duì)不同類型的舵做過很有成效的努力，也設(shè)計(jì)過許多優(yōu)秀的技術(shù)方案。專利CN103587126公開了一種輕量化高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料船舵的制造工藝及所得船舵，在船舵芯模上塑造成船舵形狀，形成預(yù)成型體，在預(yù)成型體內(nèi)部放置真空密封袋，將預(yù)成型體放入船舵外模中，使用真空密封袋與外部真空袋密封固化成型，得到該種碳纖維復(fù)合材料船舵；該種輕量化高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料船舵的制造工藝，所用材料均為預(yù)浸料，相對(duì)于一般復(fù)合材料船舵，能夠精確控制船舵的樹脂含量，降低船舵內(nèi)部的孔隙率。該專利制造的輕量化高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料船舵，重量較輕，但沒有考慮其阻尼性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本實(shí)用新型提供了一種水下航行器夾芯復(fù)合材料舵，其目的在于在滿足水下航行器舵結(jié)構(gòu)表面型線和功能要求前提下，能夠有效衰減舵結(jié)構(gòu)振動(dòng)，減輕舵結(jié)構(gòu)重量，改善水下航行器總體性能。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供一種水下航行器夾芯復(fù)合材料舵，該舵包括：

表層，其根據(jù)舵表面型值呈圓弧曲面，所述圓弧曲面的寬度從一端到另一端逐漸增加，厚度兩端小中間大且圓滑過渡；

芯層，其設(shè)于所述表層內(nèi)部，用于提高舵結(jié)構(gòu)阻尼性能，降低舵結(jié)構(gòu)重量；以及

舵軸，其為圓柱形結(jié)構(gòu)，貫穿于所述表層和芯層，用于作為所述舵和水下航行器的連接件，實(shí)現(xiàn)所述舵繞其轉(zhuǎn)動(dòng)。

進(jìn)一步地，所述舵軸頂端與芯層接觸部分橫截面為橢圓形，用于確保舵軸傳動(dòng)的穩(wěn)定性。

進(jìn)一步地，所述舵軸與表層接觸部分橫截面為圓形，用于實(shí)現(xiàn)嵌入蒙皮表面內(nèi)部的舵軸橫截面平緩過度。

優(yōu)選地，所述表層的材料為復(fù)合材料增強(qiáng)纖維、樹脂基體或夾芯硬質(zhì)泡沫。

優(yōu)選地，所述芯層為高阻尼發(fā)泡芯層。

優(yōu)選地，所述舵軸為不銹鋼圓柱。

總體而言，通過本實(shí)用新型所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：本實(shí)用新型的技術(shù)方案采用高阻尼輕質(zhì)復(fù)合材料夾芯舵，能夠在滿足水下航行器舵功能要求和力學(xué)性能要求基礎(chǔ)上，獲得更好的阻尼減振性能，進(jìn)一步降低了舵結(jié)構(gòu)重量，有利于水下航行器總體聲學(xué)性能和重量指標(biāo)控制。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中鋁合金實(shí)心舵結(jié)構(gòu)示意；

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例的一種水下航行器夾芯復(fù)合材料舵結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例的一種水下航行器夾芯復(fù)合材料舵的舵軸示意圖；

圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例的一種水下航行器夾芯復(fù)合材料舵在瞬態(tài)載荷激勵(lì)下C點(diǎn)加速度響應(yīng)對(duì)比；

圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例的一種水下航行器夾芯復(fù)合材料舵輻射聲壓級(jí)對(duì)比。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。此外，下面所描述的本實(shí)用新型各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中鋁合金實(shí)心舵結(jié)構(gòu)示意。如圖1所示，現(xiàn)有水下航行器舵一般采用鋁合金實(shí)心結(jié)構(gòu)或樹脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料實(shí)心結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)相對(duì)重量比較大，而且沒有考慮其阻尼性能。

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例的一種水下航行器夾芯復(fù)合材料舵結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，該舵包括蒙皮表層1、芯層2以及舵軸3。

在本實(shí)用新型優(yōu)選的實(shí)施例中，所述蒙皮表層1的材料為復(fù)合材料增強(qiáng)纖維、樹脂基體或夾芯硬質(zhì)泡沫。表層復(fù)合材料增強(qiáng)纖維選材范圍包括碳纖維(CFRP)、玻璃纖維(GFRP)、高強(qiáng)聚乙烯(SPECTRA)纖維等；所述復(fù)合材料增強(qiáng)纖維為碳纖維、玻璃纖維或高強(qiáng)聚乙烯纖維；樹脂基體選材范圍包括環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂等。

在本實(shí)用新型優(yōu)選的實(shí)施例中，所述芯層為高阻尼發(fā)泡芯層；高阻尼發(fā)泡芯層包括聚氨酯硬質(zhì)發(fā)泡材料、其他開孔、閉孔的發(fā)泡材料等。

在本實(shí)用新型優(yōu)選的實(shí)施例中，所述舵軸的材料為不銹鋼。

在本實(shí)用新型優(yōu)選的實(shí)施例中，所述舵軸頂端與芯層接觸部分橫截面為橢圓形，用于確保舵軸傳動(dòng)的穩(wěn)定性。

在本實(shí)用新型優(yōu)選的實(shí)施例中，所述舵軸與蒙皮表層接觸部分橫截面為圓形，用于實(shí)現(xiàn)嵌入蒙皮表面內(nèi)部的舵軸橫截面平緩過度。

在本實(shí)用新型優(yōu)選的實(shí)施例中，選擇T700正交碳纖維布、環(huán)氧樹脂基體作為夾芯復(fù)合材料舵的表層原材料，選擇聚氨酯發(fā)泡材料作為夾芯復(fù)合材料舵的芯材材料，舵軸結(jié)構(gòu)沿用原304L不銹鋼材料。主要材料參數(shù)見表1。

表1夾芯復(fù)合材料舵結(jié)構(gòu)選材

如圖2所示，在本實(shí)用新型優(yōu)選的實(shí)施例中，根據(jù)舵結(jié)構(gòu)功能、端部表層型值要求，通過多種材料和表層厚度的比較計(jì)算，設(shè)計(jì)水下航行器夾芯復(fù)合材料舵結(jié)構(gòu)表層碳纖維厚度為1.5mm。

本實(shí)施例夾芯復(fù)合材料舵與水下航行器連接的舵軸端沿用原不銹鋼材質(zhì)和結(jié)構(gòu)型式，為保證嵌入聚氨酯發(fā)泡芯層中舵軸端連接的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，該端舵軸截面設(shè)計(jì)為橢圓形狀，嵌入舵板內(nèi)舵軸橫截面由圓形向橢圓形平緩過度，如圖3所示。

通過計(jì)算，本實(shí)用新型的水下航行器夾芯復(fù)合材料舵A處施加載荷作用，夾芯復(fù)合材料舵結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力、變形和重量情況，及其與鋁合金舵、復(fù)合材料實(shí)心舵性能對(duì)比見表2。夾芯復(fù)合材料舵板滿足結(jié)構(gòu)剛度要求，且重量是鋁合金舵的28％，是碳纖維復(fù)合材料舵的18％，大大減輕了舵結(jié)構(gòu)重量。

表2靜載荷作用下水下航行器舵力學(xué)性能分析

在200米靜水壓力作用下，夾芯復(fù)合材料舵結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力、變形，及其與鋁合金舵、復(fù)合材料實(shí)心舵性能對(duì)比見表3，夾芯復(fù)合材料舵板滿足結(jié)構(gòu)靜水壓力下強(qiáng)度要求。

表3 200m靜水壓力作用下水下航行器舵力學(xué)性能

在瞬態(tài)載荷激勵(lì)作用下，水下航行器夾芯復(fù)合材料舵結(jié)構(gòu)C點(diǎn)振動(dòng)加速度響應(yīng)隨時(shí)間變化曲線、及其與鋁合金舵、復(fù)合材料實(shí)心舵對(duì)比如圖4所示，夾芯復(fù)合材料舵結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度衰減較快，具有較高的阻尼減振性能。

在水下航行器發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)載荷激勵(lì)作用下，夾芯復(fù)合材料舵結(jié)構(gòu)輻射聲壓級(jí)、及其與鋁合金舵、復(fù)合材料實(shí)心舵對(duì)比如圖5所示，在1-250Hz頻段，夾芯復(fù)合材料舵結(jié)構(gòu)可降低低頻輻射噪聲3-6dB。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案采用高阻尼輕質(zhì)復(fù)合材料夾芯舵，能夠在滿足水下航行器舵功能要求和力學(xué)性能要求基礎(chǔ)上，獲得更好的阻尼減振性能，進(jìn)一步降低了舵結(jié)構(gòu)重量，有利于水下航行器總體聲學(xué)性能和重量指標(biāo)控制。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。