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All issues Volume 43 / No 4 (August 2025) JNWPU, 43 4 (2025) 723-731 Full HTML
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Issue
JNWPU
Volume 43, Number 4, August 2025
Page(s) 723 - 731
DOI https://doi.org/10.1051/jnwpu/20254340723
Published online 07 October 2025

© 2025 Journal of Northwestern Polytechnical University. All rights reserved.

Licence Creative CommonsThis is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

电动水上飞机作为新能源飞机的一种, 具有无污染、低噪音、低运营成本等特点, 可应用于航空运输、体育运动、旅游观光等方面, 尤其在拥有河流和湖泊的旅游景区具有较大应用前景[1–3]。复合材料与传统材料相比, 具有比强度高、质量轻、比模量高、抗疲劳性能好等优点, 因此复合材料在飞机结构设计中所占比重越来越大, 尤其是在小型轻型飞机结构设计中, 除了连接接头、支撑等结构采用金属材料, 所有主承力结构全部采用全复合材料进行设计[4–5]。浮筒作为水上飞机在水上的起降装置，在起降过程中承受水面的水动力载荷，并通过支撑结构将载荷传递给机身结构，是水上飞机的主要承力部件之一, 其结构设计和安装设计对水上飞机的安全性能、使用性能和飞行性能有较大的影响[6–7]。

目前国内外对于水陆两栖飞机研究的时间较长, 在理论基础、仿真分析及试验验证等方面开展了深入系统的研究, 并在水动载荷及强度设计等方面积累了丰富的理论成果和工程经验[8–12]。由于水上飞机在水面迫降或着水时发生事故的严重程度远高于常规飞行阶段, 所以近年来国内外在水上飞机冲击与滑水过程方面开展了大量数值仿真研究工作, 主要集中在起飞性能分析、着水动态过程分析、着水力学特性分析、水上迫降运动特性分析、水上迫降力学特性分析等方面[13–19]。与模型试验相比, 数值仿真成本低、灵活性高, 不仅可以提取冲击载荷等重要参数, 还可以详细地展示相应的流场结构、运动状态和压力分布, 为飞机机身、浮筒设计等方面提供参考。但是现有数值仿真研究多集中在静水面条件下, 对于波浪水面的研究内容较少, 仅少数学者对波浪水面下民机水上迫降以及滑水动态响应特性等进行了研究, 并且研究不够深入[20–21]。此外, 目前国内外对水上飞机浮筒的外形设计研究比较单一, 主要是在理论基础上对浮筒线型、浮筒截面进行设计, 通过CFD仿真结合试验, 研究在已有陆地飞机上改装浮筒引起的气动特性变化[22–27]。现在对水上飞机的研究重点集中在水动力学、水面滑行稳定性、浮筒外形设计等方面, 而对轻型飞机的浮筒结构设计和试验验证研究较少。浮筒作为水上飞机不可缺少的承力部件, 承受着与水面撞击时产生的载荷, 合理地进行浮筒结构设计和试验、系统地评估浮筒承载能力，对水上飞机的浮筒及支撑结构设计具有指导性意义。

本文以某型双座水上电动飞机为原型, 设计了厚蒙皮多框式复合材料浮筒结构及桁架式金属支撑结构, 运用有限元分析软件对浮筒及支撑结构进行了建模分析, 分析结果满足强度设计要求, 为了进一步验证结构设计的合理性, 采用自主研发的水上飞机浮筒及连接结构静强度验证试验装置, 开展了静力试验, 试验结果验证了浮筒及其支撑结构满足强度设计要求, 为后续更高性能、轻量化的复合材料浮筒结构设计提供依据。

1 浮筒及支撑结构设计

浮筒结构为复合材料结构, 采用湿法手糊成型工艺制成。浮筒内部设置10个隔框与浮筒上、下蒙皮采用二次胶接的工艺进行合模装配。浮筒2框、3框、6框、7框为加强框。浮筒上顶面设置6个4寸甲板盖和2个8寸甲板盖, 为维护和检查提供通道。左右浮筒使用2根横撑杆相连接, 撑杆为定制的翼型型材，材料为6061-T6铝合金。浮筒与支撑结构形式见图 1。

thumbnail 图1

浮筒与支撑结构示意图

浮筒支撑结构起到将双浮筒结构与机体结构连接的作用, 均为金属材料。整个浮筒支撑结构分为前撑杆、斜撑杆、后撑杆及前、后斜拉杆, 构成三角形稳定桁架形式，前撑杆、斜撑杆、后撑杆由定制的翼型型材制成，材料为6061-T6铝合金。左、右前撑杆及左、右后撑杆间各有2根交叉的斜拉杆, 材料为不锈钢材质, 用来对左、右撑杆起到稳定的作用, 详见图 1。浮筒与支撑结构通过铝制接头连接, 共2个安装点, 前安装点位于浮筒2框和浮筒3框之间, 后安装点位于浮筒6框和浮筒7框之间, 通过螺栓进行紧固安装。浮筒与浮筒支撑结构连接形式如图 2所示。

thumbnail 图2

浮筒与浮筒支撑结构连接形式

2 载荷工况计算

2.1 参数说明

本文参考ASTM 2245-23《Standard specification for design and performance of a light sport airplane》[28]中的条款要求, 对浮筒载荷系数及浮筒着水载荷进行计算, 为后续有限元分析和静力试验加载提供载荷输入。本文水上飞机的浮筒外形参数依据经验系数和飞机所需浮性等参数确定的。首先根据设计经验和查阅相关资料选择浮筒设计模型, 然后通过飞机质量计算飞机所需浮性, 并根据公式计算得出浮筒断阶截面以及三维外形的特征参数, 最后通过多方权衡以及反复迭代计算得到浮筒的外形参数。本文计算过程中所用到的参数及其取值见表 1。

表1

载荷工况计算参数

2.2 对称断阶着水工况

依据ASTM 2245-23中X8.4.1.1节的要求, 对于断阶着水工况, 水面反作用力系数为

$ n_{\mathrm{wM}}=\frac{C_1 V_{\mathrm{S} 0}^2}{\left(\tan ^{\frac{2}{3}} \beta_{\mathrm{M}}\right)\left(\frac{W}{4.448}\right)^{\frac{1}{3}}}=3.214 $(1)

对称断阶着水载荷(单个浮筒)为

$ F_{\mathrm{m}}=\frac{n_{\mathrm{wM}} W}{2}=10247 \mathrm{~N} $(2)

2.3 非对称断阶着水工况

ASTM 2245-23中X8.5.2.1节要求, 非对称载荷由作用于每一个浮筒断阶处向上载荷FMU和仅作用于一个浮筒上的侧向载荷FMS组成, 其值分别如(3)~(4)式所示。

$ F_{\mathrm{MU}}=0.75 F_{\mathrm{M}}=7685.25 \mathrm{~N} $(3)

$ F_{\mathrm{MS}}=0.25 F_{\mathrm{M}} \tan \beta_{\mathrm{M}}=1389.2 \mathrm{~N} $(4)

2.4 船艏着水工况

依据ASTM 2245-23中X8.4.1.2节的要求, 对于船艏着水工况, 水面反作用力系数为

$ n_{\mathrm{wF}}=\frac{C_1 V_{\mathrm{S} 0}^2}{\left(\tan ^{\frac{2}{3}} \beta_{\mathrm{F}}\right)\left(\frac{W}{4.448}\right)^{\frac{1}{3}}} \times \frac{K_{1 \mathrm{~F}}}{\left(1+r_{x \mathrm{F}}^2\right)^{\frac{2}{3}}}=2.622 $(5)

式中，rxF为平行于浮筒基准轴, 从水上飞机重心到进行船艏载荷系数计算的船体纵向站位的距离与水上飞机的俯仰回转半径之比, 如(6)式所示。

$ r_{x \mathrm{F}}=\frac{C_{\mathrm{G}}-0.2 L_{\mathrm{f}}}{R_{\mathrm{g}}}=1.532 $(6)

船艏着水载荷(单个浮筒)为

$ F_{\mathrm{F}}=\frac{n_{\mathrm{wF}} W}{2}=8359.6 \mathrm{~N} $(7)

2.5 船艉着水工况

对于船艉着水工况, 水面反作用力系数为

$ n_{\mathrm{wR}}=\frac{C_1 V_{\mathrm{S} 0}^2}{\left(\tan ^{\frac{2}{3}} \beta_{\mathrm{R}}\right)\left(\frac{W}{4.448}\right)^{\frac{1}{3}}} \times \frac{K_{1 \mathrm{R}}}{\left(1+r_{x \mathrm{R}}^2\right)^{\frac{2}{3}}}=1.023 $(8)

式中, rxR为平行于浮筒基准轴, 从水上飞机重心到进行船艉载荷系数计算的船体纵向站位的距离与水上飞机的俯仰回转半径之比, 如(9)式所示。

$ r_{x \mathrm{R}}=\frac{L_{\mathrm{f}}-C_{\mathrm{G}}+0.85 L_{\mathrm{a}}}{R_{\mathrm{g}}}=1.968 $(9)

船艉着水载荷(单个浮筒)为

$ F_{\mathrm{R}}=\frac{n_{\mathrm{wR}} W}{2}=3261.6 \mathrm{~N} $(10)

3 有限元分析

3.1 有限元模型

在Catia三维设计软件中完成浮筒和浮筒支撑的结构建模, 以stp格式导入Ansys中进行几何处理, 去除不影响分析结果的微小细节如倒圆角、小孔等。浮筒蒙皮、隔框等复合材料结构采用CQUAD4壳单元, 浮筒撑杆等铝型材结构采用CQUAD4壳单元, 斜拉杆结构采用CBEAM梁单元, 浮筒与支撑的连接等采用RBE2刚性单元。采用网格自动划分功能对模型进行网格划分, 并对网格质量进行了检查，未出现网格奇异, 整个有限元模型单元数为1 041 365, 节点数为2 795 625。基于Ansys建立的浮筒和浮筒支撑有限元模型见图 3。

thumbnail 图3

浮筒和浮筒支撑有限元模型

3.2 有限元分析结果

在Ansys软件中, 分别在船艏载荷极限工况、断阶载荷极限工况、船艉载荷极限工况下, 对建立的浮筒和浮筒支撑有限元模型进行静力分析, 数值计算结果见图 4~6。

thumbnail 图4

3种载荷极限工况结构变形图

thumbnail 图5

3种载荷极限工况浮筒支撑应力分布图

thumbnail 图6

3种载荷极限工况浮筒剩余强度分布图

图 4给出了3种载荷极限工况下结构变形情况。在船艏载荷下, 船艏处的位移最大, 最大变形为6.648 mm, 相当于浮筒长度(4 671 mm)的0.14%, 变形较小。在断阶载荷下, 断阶处的位移最大, 最大变形为13.72 mm, 相当于浮筒长度的0.29%, 变形较小。在船艉载荷下, 船艉处的位移最大, 最大变形为28.61 mm, 相当于浮筒长度的0.61%, 变形较小。

图 5给出了3种载荷极限工况下浮筒支撑的应力分布图。在船艏载荷下, 浮筒支撑的最大应力为55.26 MPa, 位于前支撑杆上, 因为船艏载荷作用于浮筒前端, 因此分析结果合理。在断阶载荷下, 浮筒支撑的最大应力为98.25 MPa, 位于后支撑杆上, 因为断阶载荷作用于浮筒断阶处, 而后支撑也位于断阶处附近, 因此分析结果合理。在船艉载荷下, 浮筒支撑的最大应力为58.55 MPa, 位于后支撑杆上, 因为船艉载荷作用于浮筒船艉处，而后支撑杆安装点位于浮筒断阶处上方，距离船艉较近，因此分析结果合理。浮筒支撑采用材料为6061-T6铝合金, 其拉伸强度为260 MPa, 在3种工况下浮筒支撑的安全裕度分别为3.7, 1.64和3.44, 满足强度设计要求。

图 6给出了3种载荷极限工况下浮筒的剩余强度分布图。在船艏载荷下, 浮筒的最小剩余强度为3.185, 位于船艏前端附近, 因为船艏载荷作用于浮筒前端, 因此分析结果合理。在断阶载荷下, 浮筒的最小剩余强度为2.684, 位于浮筒断阶附近, 因为断阶载荷作用于浮筒断阶处, 因此分析结果合理。在船艉载荷下, 浮筒的最小剩余强度为2.257, 位于船艉附近, 因为船艉载荷作用于船艉处, 因此分析结果合理。浮筒结构为碳纤维复合材料, 根据Tsai-Wu强度判定准则, 在3种工况下浮筒结构最小安全裕度分别为2.185, 1.684和1.257, 满足强度要求。

4 静力试验验证

4.1 试验件和试验设备

为了进一步验证结构设计是否满足强度要求, 以及验证有限元计算的准确性, 进行了浮筒和浮筒支撑的静力试验。试验过程中所需的试验设备及测量工具包括: 浮筒静力试验装置1个(包括试验件约束及加载装置), 5 t拉压力传感器6个, 2 t拉压力传感器1个, 激光水平仪1个, 刻度尺4把, 试验用到的测量设备均在合格的有效期内。

为确保试验件安装状态与实际飞机安装状态一致, 设计了一款用于浮筒式水上飞机的浮筒及连接结构静强度验证的试验装置, 由主体框架、单向加载单元、双向加载单元组成, 安装于地轨上。浮筒结构试验件通过转接件与主体框架进行连接, 实现试验件的安装约束, 模拟浮筒与机身连接的4个连接点。浮筒及连接结构静力试验装置见图 7。

thumbnail 图7

试验件在浮筒静力试验台架安装示意图

4.2 试验方法与步骤

4.2.1 试验方法

结合水上飞机适航规章及强度试验要求, 每套试验装置可配合4套单向加载单元和2套双向加载单元。单向加载单元用于浮筒的船艏和船艉试验, 双向加载单元用于浮筒断阶处试验。

单向加载单元由手摇杆、手摇杆支柱、手摇转接杆、加载单元立柱、螺旋升降机、随形加载头、压力传感器、联轴器、轴承等组成, 如图 8所示。试验加载时, 加载人员通过手摇杆驱动螺旋升降机进行加载操作, 试验加载时, 由螺旋升降机将试验载荷传递至随形加载头上, 压力传感器读取试验压力载荷值, 球型压头在加载过程中起到万向节的作用, 用来抵消因浮筒异性和加载时结构变形产生的角度偏转, 使加载方向保持在球心位置加载至预期的位置和方向上。

thumbnail 图8

单向加载单元

双向加载单元是在单向加载单元的基础上增加横向加载机构, 该形式的加载单元用于浮筒断阶载荷工况的加载, 如图 9所示。

thumbnail 图9

双向加载单元

纵向加载摇杆与纵向加载联动杆通过联轴器驱动螺旋升降机实现纵向加载。横向加载摇杆与横向加载联动杆通过联轴器驱动加载丝杠实现横向加载。在纵向加载的螺旋升降机与压力传感器之间增加导轨滑块使随形加载头不受试验加载机构和试验夹具的约束，能够自由地横向移动, 试验载荷能够准确地传递至试验件上, 通过试验件来抵消横向载荷带来的变形和位移。

4.2.2 试验步骤

1) 对试验件按照试验要求进行约束和装配;

2) 检查测试设备都已清零;

3) 按照加载要求进行预加载, 检查试验件和试验设备状态;

4) 对试验件进行卸载, 检查试验件和试验设备状态;

5) 确认试验件无问题后, 按照加载要求进行逐级加载, 并记录数据。关键加载阶段须注意: 限制载荷(即67%)时, 保持30 s, 检查和测试变形是否影响结构件功能, 并在卸载后记录位移测量点位置; 极限载荷(100%)时, 注意保持不少于3 s;

6) 试验结束后卸载, 关闭测试设备, 清理现场;

7) 对试验件进行目视和无损检查, 并拍照。

4.3 试验结果

试验过程中分别进行了船艉着水工况试验、船艏着水工况试验、非对称断阶着水工况试验、对称断阶着水工况试验, 按照本文中载荷工况计算中给出的加载位置进行加载。每一个工况首先进行了20%极限载荷预加载, 在达到20%极限载荷过程中, 试验件无异响。然后进行卸载, 卸载后检查试验件未发现破损、断裂。再进行67%极限载荷加载, 在施加载荷达到67%极限载荷时, 试验件结构未发生异响; 在67%极限载荷保持30 s过程中, 试验件结构未发生异响。然后进行卸载, 卸载后检查试验件结构未发现破损、断裂。之后进行100%极限载荷加载, 加载过程中试验件结构无异响, 达到100%极限载荷后, 保持3 s的过程中, 试验件结构无异响。试验的加载过程见图 10~12。

thumbnail 图10

船艏着水工况试验

thumbnail 图11

非对称断阶着水工况试验

thumbnail 图12

船艉着水工况试验

在进行船艉着水工况和船艏着水工况加载时, 逐级加载过程中分别对浮筒两侧的船艉和船艏的位移进行了记录, 左侧船艉的最大位移为22 mm, 右侧船艉的最大位移为22 mm, 左侧船艏的最大位移为9 mm, 右侧船艏的最大位移为8 mm, 且卸载后并未产生有害的永久变形。

图 13为船艉着水工况的位移改变量与加载量的示意图, 从图中可以看出, 位移改变量基本呈线性变化, 处于弹性变形阶段, 未产生塑性变形, 满足结构强度设计要求, 并且两侧位移改变量基本一致, 最大位置改变量也相同, 说明在预加载后船艉部分不存在装配间隙。

thumbnail 图13

船艉位移曲线

图 14为船艏着水工况的位移改变量与加载量的示意图, 从图中可以看出, 位移改变量的变化基本呈线性变化, 处于弹性变形阶段, 未产生塑性变形, 满足结构强度设计要求, 但两侧位移改变量相差大约1 mm, 最大位置改变量相差1 mm, 说明在预加载后右侧船艏部分存在装配间隙, 导致两侧结果存在不一致的现象。

thumbnail 图14

船艏位移曲线

图 15给出了断阶着水工况浮筒下表面应变测量值和有限元分析值对比情况, 从图中可以看出, 应变测量值和应变计算值吻合度较高。

thumbnail 图15

断阶着水工况浮筒应变试验值和计算值对比

5 结论

以某型水上飞机为研究对象, 本文设计了一种厚蒙皮多框式复合材料浮筒结构及桁架式金属支撑结构, 并通过有限元强度分析和静力强度试验验证了该结构设计的可行性。静力试验中采用自主研发的浮筒式水上飞机的浮筒及连接结构静强度验证试验装置, 完成了对称断阶着水工况、非对称断阶着水工况、船艏着水工况及船艉着水工况静力试验。与仿真结果对比可以发现, 船艏位移和船艉位移试验值与仿真值也比较接近, 船艏应变和船艉应变试验值与仿真值比较接近, 说明本文采用的有限元模型具有较高的精度。试验结束后, 浮筒及其支撑结构未发生破损和断裂, 船艏位移和船艉位移较小, 断阶载荷下应变测量值和应变计算值吻合度较高, 结果验证了浮筒及其支撑结构强度和刚度满足设计要求, 同时也说明本文设计的复合材料浮筒及其支撑结构具有较强的承载能力, 可为后续轻量化的复合材料浮筒结构设计提供依据。

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All Tables

表1

载荷工况计算参数

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All Figures

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浮筒与支撑结构示意图
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浮筒与浮筒支撑结构连接形式
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浮筒和浮筒支撑有限元模型
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3种载荷极限工况结构变形图
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3种载荷极限工况浮筒支撑应力分布图
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3种载荷极限工况浮筒剩余强度分布图
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试验件在浮筒静力试验台架安装示意图
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单向加载单元
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双向加载单元
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船艏着水工况试验
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非对称断阶着水工况试验
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船艉着水工况试验
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船艉位移曲线
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船艏位移曲线
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断阶着水工况浮筒应变试验值和计算值对比
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