一種水下航行器夾芯復合材料舵的制作方法

本實用新型屬于水下航行器尾部結構部件技術領域，更具體地，涉及一種水下航行器夾芯復合材料舵。

背景技術：

隨著各種新技術在水下航行器上的推廣應用，要求在水下航行器設計時盡量減小結構重量，為總體重量控制提供更大空間。同時，近年來艦艇主動聲吶探測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。

舵結構是水下航行器尾部重要結構件，通常由上、下兩個方向舵，左、右兩個水平舵組成，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動性。水下航行器舵結構凸出于航行器結構體外表面，在航行時，易由于轉舵和水流激勵產生舵顫振，暴露水下航行器目標位置。另一方面，舵結構位于水下航行器尾部，其質量對于水下航行器重心調整和重量控制具有重要作用，有效減輕舵結構重量，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構一般采用低阻尼的鋁合金材料，結構型式為實心結構，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合材料實心結構，內部采用短切纖維和樹脂進行填充，外部采用樹脂基纖維增強復合材料進行包覆，在減輕水下航行器尾部重量方面發揮了一定作用，但在控制舵結構顫振、減輕舵結構重量等方面仍有較大潛力。

復合材料指由兩種或兩種以上材料的獨立物理相通過物理或化學復合工藝組合或構造，形成的新型細觀結構構形或新材料。常用的非金屬基復合材料增強相包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、高強聚乙烯纖維等，基體包括環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂、酚醛樹脂等。

夾芯復合材料是指由上、下表層和中間芯層組成的多層結構，其上下表層一般采用樹脂基纖維增強復合材料，中間芯層可選擇耐壓、高阻尼特性的發泡類材料。水下航行器采用夾芯復合材料舵結構，替代原鋁合金實心舵結構或復合材料實心舵結構，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構重量。

現有和曾經有的關于舵系統的相關技術對不同類型的舵做過很有成效的努力，也設計過許多優秀的技術方案。專利CN103587126公開了一種輕量化高強度碳纖維復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，形成預成型體，在預成型體內部放置真空密封袋，將預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，得到該種碳纖維復合材料船舵；該種輕量化高強度碳纖維復合材料船舵的制造工藝，所用材料均為預浸料，相對于一般復合材料船舵，能夠精確控制船舵的樹脂含量，降低船舵內部的孔隙率。該專利制造的輕量化高強度碳纖維復合材料船舵，重量較輕，但沒有考慮其阻尼性能。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本實用新型提供了一種水下航行器夾芯復合材料舵，其目的在于在滿足水下航行器舵結構表面型線和功能要求前提下，能夠有效衰減舵結構振動，減輕舵結構重量，改善水下航行器總體性能。

為了實現上述目的，本實用新型提供一種水下航行器夾芯復合材料舵，該舵包括：

表層，其根據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，其設于所述表層內部，用于提高舵結構阻尼性能，降低舵結構重量；以及

舵軸，其為圓柱形結構，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，實現所述舵繞其轉動。

進一步地，所述舵軸頂端與芯層接觸部分橫截面為橢圓形，用于確保舵軸傳動的穩定性。

進一步地，所述舵軸與表層接觸部分橫截面為圓形，用于實現嵌入蒙皮表面內部的舵軸橫截面平緩過度。

優選地，所述表層的材料為復合材料增強纖維、樹脂基體或夾芯硬質泡沫。

優選地，所述芯層為高阻尼發泡芯層。

優選地，所述舵軸為不銹鋼圓柱。

總體而言，通過本實用新型所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：本實用新型的技術方案采用高阻尼輕質復合材料夾芯舵，能夠在滿足水下航行器舵功能要求和力學性能要求基礎上，獲得更好的阻尼減振性能，進一步降低了舵結構重量，有利于水下航行器總體聲學性能和重量指標控制。

附圖說明

圖1為現有技術中鋁合金實心舵結構示意；

圖2為本實用新型實施例的一種水下航行器夾芯復合材料舵結構示意圖；

圖3為本實用新型實施例的一種水下航行器夾芯復合材料舵的舵軸示意圖；

圖4為本實用新型實施例的一種水下航行器夾芯復合材料舵在瞬態載荷激勵下C點加速度響應對比；

圖5為本實用新型實施例的一種水下航行器夾芯復合材料舵輻射聲壓級對比。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

圖1為現有技術中鋁合金實心舵結構示意。如圖1所示，現有水下航行器舵一般采用鋁合金實心結構或樹脂基纖維增強復合材料實心結構。這種結構相對重量比較大，而且沒有考慮其阻尼性能。

圖2為本實用新型實施例的一種水下航行器夾芯復合材料舵結構示意圖。如圖2所示，該舵包括蒙皮表層1、芯層2以及舵軸3。

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

在本實用新型優選的實施例中，所述芯層為高阻尼發泡芯層；高阻尼發泡芯層包括聚氨酯硬質發泡材料、其他開孔、閉孔的發泡材料等。

在本實用新型優選的實施例中，所述舵軸的材料為不銹鋼。

在本實用新型優選的實施例中，所述舵軸頂端與芯層接觸部分橫截面為橢圓形，用于確保舵軸傳動的穩定性。

在本實用新型優選的實施例中，所述舵軸與蒙皮表層接觸部分橫截面為圓形，用于實現嵌入蒙皮表面內部的舵軸橫截面平緩過度。

在本實用新型優選的實施例中，選擇T700正交碳纖維布、環氧樹脂基體作為夾芯復合材料舵的表層原材料，選擇聚氨酯發泡材料作為夾芯復合材料舵的芯材材料，舵軸結構沿用原304L不銹鋼材料。主要材料參數見表1。

表1夾芯復合材料舵結構選材

如圖2所示，在本實用新型優選的實施例中，根據舵結構功能、端部表層型值要求，通過多種材料和表層厚度的比較計算，設計水下航行器夾芯復合材料舵結構表層碳纖維厚度為1.5mm。

本實施例夾芯復合材料舵與水下航行器連接的舵軸端沿用原不銹鋼材質和結構型式，為保證嵌入聚氨酯發泡芯層中舵軸端連接的強度和穩定性，該端舵軸截面設計為橢圓形狀，嵌入舵板內舵軸橫截面由圓形向橢圓形平緩過度，如圖3所示。

通過計算，本實用新型的水下航行器夾芯復合材料舵A處施加載荷作用，夾芯復合材料舵結構最大應力、變形和重量情況，及其與鋁合金舵、復合材料實心舵性能對比見表2。夾芯復合材料舵板滿足結構剛度要求，且重量是鋁合金舵的28％，是碳纖維復合材料舵的18％，大大減輕了舵結構重量。

表2靜載荷作用下水下航行器舵力學性能分析

在200米靜水壓力作用下，夾芯復合材料舵結構最大應力、變形，及其與鋁合金舵、復合材料實心舵性能對比見表3，夾芯復合材料舵板滿足結構靜水壓力下強度要求。

表3 200m靜水壓力作用下水下航行器舵力學性能

在瞬態載荷激勵作用下，水下航行器夾芯復合材料舵結構C點振動加速度響應隨時間變化曲線、及其與鋁合金舵、復合材料實心舵對比如圖4所示，夾芯復合材料舵結構振動加速度衰減較快，具有較高的阻尼減振性能。

在水下航行器發動機振動載荷激勵作用下，夾芯復合材料舵結構輻射聲壓級、及其與鋁合金舵、復合材料實心舵對比如圖5所示，在1-250Hz頻段，夾芯復合材料舵結構可降低低頻輻射噪聲3-6dB。

本實用新型的技術方案采用高阻尼輕質復合材料夾芯舵，能夠在滿足水下航行器舵功能要求和力學性能要求基礎上，獲得更好的阻尼減振性能，進一步降低了舵結構重量，有利于水下航行器總體聲學性能和重量指標控制。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。