潛艇耐壓液艙結(jié)構(gòu)破壞原因及加強(qiáng)形式探討

龔君來

武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 武漢 430064

潛艇耐壓液艙結(jié)構(gòu)破壞原因及加強(qiáng)形式探討

龔君來

武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 武漢 430064

耐壓液艙區(qū)域的耐壓殼體在外載荷作用下發(fā)生破壞，其破壞原因與相鄰耐壓殼體的受力相關(guān)，相鄰耐壓殼體的變形對其影響往往很大。在吸收現(xiàn)有潛艇耐壓液艙結(jié)構(gòu)理論計(jì)算方法、有限元分析和試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，對其結(jié)構(gòu)破壞原因及加強(qiáng)形式進(jìn)行了探討。

耐壓液艙 結(jié)構(gòu)破壞原因 加強(qiáng)

耐壓液艙結(jié)構(gòu)是最復(fù)雜的潛艇耐壓結(jié)構(gòu)之一，目前主要采用解析法、半解析法和數(shù)值方法。解析法和半解析方法通過分別建立耐壓船體殼板、液艙殼板、實(shí)肋板的微分方程進(jìn)行聯(lián)合求解，得到理論計(jì)算公式，經(jīng)過模型試驗(yàn)驗(yàn)證并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)修正，使得理論計(jì)算結(jié)果（結(jié)構(gòu)承載能力預(yù)報(bào)）更接近實(shí)際［1］。

有限元方法是分析耐壓液艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的重要方法之一，計(jì)算結(jié)果有助于揭示復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性及各構(gòu)件之間的相互關(guān)系，容易獲得結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配程度及高應(yīng)力分布區(qū)域等信息，為完善耐壓液艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方法、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及提出更加新型合理的耐壓液艙結(jié)構(gòu)形式提供理論依據(jù)［2-3］。

模型試驗(yàn)是驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性的有效途徑。目前我國在這方面開展了大量的研究工作，積累了豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，取得了一大批科研成果，極大地提高了潛器耐壓液艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和合理性。為解決潛器下潛深度增加帶來的耐壓液艙結(jié)構(gòu)承載能力和結(jié)構(gòu)重量之間的矛盾具有實(shí)際意義。

1 模型試驗(yàn)結(jié)構(gòu)破壞形式、部位及受力分析

對于結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型外壓試驗(yàn)是檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果的有效途徑。通過對外置式耐壓液艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行的一系列模型試驗(yàn)表明，耐壓液艙結(jié)構(gòu)的破壞形式和部位見圖1。

圖1 耐壓液艙結(jié)構(gòu)破壞形式和部位示意圖

從圖1可看出，破壞部位發(fā)生在耐壓液艙的最邊一檔的耐壓殼體上（＃1～＃2），破壞形態(tài)為軸對稱局部失穩(wěn)，耐壓液艙結(jié)構(gòu)受力、變形情況見圖2。

圖2 耐壓液艙結(jié)構(gòu)承受外載示意圖

在外載荷作用下，＃0～＃1處耐壓殼體也要受外載荷作用，而不象耐壓液艙部分的耐壓殼體不直接受到外載荷的作用。而＃0～＃1間耐壓殼體的變形在＃1耐壓殼體處的轉(zhuǎn)角卻和＃1～＃2間耐壓殼體的變形引起的轉(zhuǎn)角方向相同，因此兩者必然會疊加，其殼體變形峰值見圖1，在＃1～＃2之間靠近＃1處。而＃0～＃1殼體靠近＃1處卻不會有此峰值，因?yàn)椋?～＃2間殼體變形是耐壓殼體抵抗＃1和＃2處變形所致。＃0～＃1間耐壓殼體的變形對＃1～＃2間耐壓殼體的變形影響超過了外載荷P通過耐壓液艙壁板傳到耐壓殼體上的力引起的變形影響，因此耐壓液艙結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)如圖1那樣的破壞形式。

2 耐壓液艙殼體部分加強(qiáng)形式

根據(jù)上述的受力分析，對幾種可能的加強(qiáng)形式作出如下分析。

1）見圖3，加強(qiáng)形式即在耐壓液艙部分的耐壓殼體每檔肋距1／2部位加加強(qiáng)肋骨。如前面的分析，＃1～＃2間殼體變形的峰值不在1／2肋距部位，且此部分殼體的變形是由＃1和＃2處艙壁板將耐壓液艙殼體受外載荷作用下傳到耐壓殼體上所至，對幫助承擔(dān)由此引起的變形作用不大，且對減小峰值處的變形影響更小，因此認(rèn)為此加強(qiáng)形式對增加耐壓液艙的承載能力作用并不明顯。

圖3 跨中加中間支骨加強(qiáng)

2）見圖4，加強(qiáng)形式即在艙壁板加強(qiáng)筋根部加肘板。

此加強(qiáng)形式對于降低緊靠＃1耐壓殼體部位的σ1是有很大的作用。但是對改善整個耐壓液艙的承載能力卻無多大好處，因?yàn)樵摷訌?qiáng)形式不過是將σ1的峰值部位由＃1處轉(zhuǎn)移到11處而已，而且11處的殼體應(yīng)力分布梯度更惡化。這一點(diǎn)在過去的試驗(yàn)研究中已經(jīng)得到證實(shí)。當(dāng)兩塊肘板之間間距小到某一數(shù)值如1／3（肋距）時(shí)，情況又當(dāng)別論。但是顯然這是不切實(shí)際的加強(qiáng)方式。

圖4 艙壁板加強(qiáng)筋根部加肘板

3）加強(qiáng)形式見圖5。在＃0～＃1之間加中間肋骨如在01點(diǎn)，01～1的距離小于或等于1／2肋距。這樣能有效地降低＃0～＃1肋骨間耐壓殼體受外載荷作用下的變形，也即減小對＃1～＃2間耐壓殼體的變形影響。01越靠近1點(diǎn)，效果越明顯。考慮到實(shí)際施工中施焊的因素，可將01肋骨布置于耐壓殼體內(nèi)進(jìn)行加強(qiáng)。

圖5 液艙外一擋肋距加中間支骨

4）另一種加強(qiáng)形式既將＃1、＃5肋骨區(qū)域的耐壓殼體板改為厚板，見圖6。其厚度tj＝1．7～2．0t，寬度b≈1／3（肋距）。此加強(qiáng)方式可對艙壁板處的轉(zhuǎn)角進(jìn)行抑制，對于提高耐壓液艙部分的承載能力具有一定的幫助，同時(shí)實(shí)際施工方面亦較為理想。

圖6 耐壓殼體液艙壁板根部耐壓體加厚板

3 結(jié)論

潛艇耐壓液艙結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為和破壞機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，其影響因素還有很多，包括結(jié)構(gòu)型式、材料特性、工藝和公差、總體和性能需求等等。計(jì)算結(jié)果及分析結(jié)論還可能受到耐壓液艙總體幾何尺度、結(jié)構(gòu)參數(shù)及其匹配程度等因素的影響。

由于潛艇的下潛深度不斷加大，外置式耐壓液艙結(jié)構(gòu)所使用的板材厚度、結(jié)構(gòu)重量及容重比成為制約其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的瓶頸。文中旨在對于已相對固定的耐壓液艙結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，對其結(jié)構(gòu)局部進(jìn)行加強(qiáng)，以期進(jìn)一步挖掘其承載能力，避免潛艇因下潛深度增加帶來的耐壓液艙結(jié)構(gòu)承載能力和結(jié)構(gòu)重量之間的矛盾。

［1］朱邦俊，萬正權(quán)．潛艇耐壓液艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究［J］．船舶力學(xué)，1998（1）：28-36．

［2］黃加強(qiáng)，賀小型．帶縱骨實(shí)肋板式耐壓液艙殼板強(qiáng)度計(jì)算方法研究［J］．中國造船，1996（3）：77-86．

［3］羅 斌，陳 強(qiáng)，徐云椿．潛艇縱骨式全實(shí)肋板耐壓液艙殼板強(qiáng)度計(jì)算方法研究［J］．中國造船，1999（2）：74-80．

The destruction reason and reinforcement of submarine′s pressure tank structure

GONG Jun-lai
Wuhan Second Ship Design Institute Wuhan 430064

The structural destruction reason of the pressure hull of submarine′s pressure tank under outside loadings is often related with the loading condition of the neighbouring pressure hull．The deformation of the neighbouring pressure hull has great effect upon the structure of pressure tank．Based on the theoretical calculation，F(xiàn)E analysis and experimental research of the submarine′s pressure tank，the authors discuss about its structural destruction reasons and the corresponding stiffening pattern．

pressure tank structural destruction reason reinforcement

U661．42

A

1671-7953（2007）02-0032-03

2006-07-29

修回日期2006-10-12

龔君來（1972—），男，大學(xué)，工程師。