單/雙殼體潛艇結(jié)構(gòu)耐撞剩余強(qiáng)度特性研究

梅志遠(yuǎn) 李 卓 呂巖松

海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院，湖北武漢 430033

單/雙殼體潛艇結(jié)構(gòu)耐撞剩余強(qiáng)度特性研究

梅志遠(yuǎn) 李 卓 呂巖松

海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院，湖北武漢 430033

單/雙圓柱殼體結(jié)構(gòu)是潛艇的兩種典型結(jié)構(gòu)形式。以單/雙殼體潛艇典型結(jié)構(gòu)為研究對象，分別設(shè)計(jì)初始深水靜壓強(qiáng)度相當(dāng)?shù)牡湫蛦?雙耐壓環(huán)肋圓柱殼體結(jié)構(gòu)模型，基于MSC／Dytran罰函數(shù)接觸算法，開展相同撞擊強(qiáng)度載荷作用下結(jié)構(gòu)模型耐撞動態(tài)響應(yīng)特性分析，提取撞擊后結(jié)構(gòu)模型中耐壓殼體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定變形位移場，作為MSC／Marc靜強(qiáng)度求解的初始位移邊界條件輸入，通過有限元數(shù)值方法，對撞擊后典型單/雙結(jié)構(gòu)耐壓殼體結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度特性進(jìn)行比較分析。分析結(jié)果表明，當(dāng)撞擊載荷強(qiáng)度較低時(shí)，雙殼模型的耐壓殼體結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度較大，隨著撞擊載荷強(qiáng)度的不斷增大，單/雙殼結(jié)構(gòu)耐壓殼體結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度將趨于一致，進(jìn)一步提高撞擊載荷強(qiáng)度，單殼體結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度將高于雙殼體結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)；碰撞；剩余強(qiáng)度；數(shù)值分析；潛艇

1 引 言

艇體結(jié)構(gòu)是保障潛艇各系統(tǒng)正常工作的基本平臺。在戰(zhàn)時(shí)及訓(xùn)練期間，潛艇處于十分復(fù)雜的環(huán)境中，如果艇體在觸礁（浮冰）、擱淺和碰撞等意外事故中遭受撞擊，將有可能導(dǎo)致潛艇喪失戰(zhàn)斗力和生命力。根據(jù)國外核潛艇事故統(tǒng)計(jì)（1954～2000年），其中碰撞事故共發(fā)生102起，占事故總數(shù)的42%。潛艇若發(fā)生碰撞事故，輕則艇體損壞，重則艇毀人亡［1］。因此，對潛艇結(jié)構(gòu)的碰撞安全性進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［2-3］。

單/雙殼體是潛艇結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)形式。針對在撞擊載荷下潛艇結(jié)構(gòu)的耐撞強(qiáng)度特征以及水下碰撞環(huán)境等問題，近年來已開展了部分研究工作［4-5］。但有關(guān)兩種結(jié)構(gòu)形式在相同強(qiáng)度撞擊載荷作用下剩余強(qiáng)度特性的比較性研究工作，目前還開展得極為有限。我國在潛艇結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面多采用雙殼體結(jié)構(gòu)。就耐撞能力而言，雙殼體結(jié)構(gòu)是否完全優(yōu)于單殼體結(jié)構(gòu)，以及在不同的撞擊環(huán)境下，兩種結(jié)構(gòu)形式的耐撞特性如何評價(jià)等問題目前還尚未獲得滿意的答案。本文針對單/雙殼體潛艇結(jié)構(gòu)碰撞剩余強(qiáng)度比較問題開展研究，提出兩階段分步求解法，即由動態(tài)顯式求解法首先得到相同撞擊載荷強(qiáng)度下單/雙殼典型結(jié)構(gòu)的變形位移場，然后以變形后的位移場做為靜強(qiáng)度求解的初始結(jié)構(gòu)邊界狀態(tài)，進(jìn)行靜強(qiáng)度比較分析，以探討單/雙殼體結(jié)構(gòu)耐撞剩余強(qiáng)度特性規(guī)律。本文的研究工作對于開展?jié)撏ЫY(jié)構(gòu)的動強(qiáng)度設(shè)計(jì)具有重要的工程意義。

2 單/雙殼體潛艇典型結(jié)構(gòu)計(jì)算模型設(shè)計(jì)

為便于比較分析，以極限強(qiáng)度載荷與結(jié)構(gòu)重量基本相當(dāng)為原則，分別設(shè)計(jì)了相應(yīng)的單、雙殼體潛艇典型舯部結(jié)構(gòu)簡化計(jì)算模型，如圖1和圖2所示（計(jì)算模型結(jié)構(gòu)尺度參數(shù)見圖中標(biāo)識）。

圖1 雙殼體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析模型Fig.1 Analysismodel for double hull structure

3 單/雙殼體結(jié)構(gòu)模型靜強(qiáng)度特性分析

為便于比較撞擊后單/雙殼體模型的剩余強(qiáng)度特性，首先應(yīng)用MSC／M arc對兩個(gè)模型的靜強(qiáng)度特性進(jìn)行了初始分析，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 單/雙殼體模型耐壓殼體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度特性分析結(jié)果Tab.1 The calculation results under static pressure load for single and double hulls

由表1可看出，所設(shè)計(jì)的單/雙殼體計(jì)算分析模型耐壓殼體結(jié)構(gòu)的初始靜強(qiáng)度基本相當(dāng)。

4 撞擊載荷作用下單/雙殼體結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)特性分析

單/雙殼體模型在受到撞擊載荷作用時(shí)，若撞擊體的質(zhì)量和撞擊速度不同，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)便也不同，因此，分別變化撞擊體的質(zhì)量和撞擊速度，應(yīng)用MSC／Dytran的罰函數(shù)接觸算法［6］分別計(jì)算單/雙殼體結(jié)構(gòu)在不同能量沖擊作用下的結(jié)構(gòu)形變結(jié)果，即可得到單/雙殼體結(jié)構(gòu)撞擊后的形變位移場。圖3所示為計(jì)算模型在受到300 kg撞擊體7m／s速度沖擊載荷作用后的形變位移場分布情況，圖4所示為計(jì)算模型在受到1 000 kg撞擊體7m／s速度沖擊載荷作用后的形變位移場分布情況。其余各計(jì)算結(jié)果本文不詳細(xì)列出。

5 單/雙殼體結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度特性分析

圖3 模型撞擊后形變位移場分布特征Fig.3 The displacement distribution after impact

圖模型撞擊后形變位移場分布特征Fig.4 The displacement distribution after impact

單/雙殼體結(jié)構(gòu)在受到撞擊載荷作用后的剩余強(qiáng)度用于描述受損結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度特性，是相對于完整結(jié)構(gòu)初始強(qiáng)度特性而言的，它是評價(jià)單/雙殼體結(jié)構(gòu)形式耐撞特性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。利用MSC／Dytran對典型結(jié)構(gòu)在撞擊載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行計(jì)算與分析后，將結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后的變形位移場作為初始邊界條件，導(dǎo)入MSC／M arc軟件進(jìn)行塑性極限強(qiáng)度特性分析，即可實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)耐撞剩余強(qiáng)度的特性分析。計(jì)算結(jié)果如表2所示。計(jì)算模型在受到300 kg撞擊體7m／s速度沖擊載荷作用及1 000 kg撞擊體7m／s速度沖擊載荷作用后，在靜水外壓力作用下模型的典型破壞模式如圖5、圖6所示。

6 計(jì)算結(jié)果分析

通過以上計(jì)算可以看出，對于具有相同初始靜強(qiáng)度的單/雙殼體典型舯部結(jié)構(gòu)，單殼體結(jié)構(gòu)的重量較雙殼體結(jié)構(gòu)的總重量約輕10%，可見在保證靜強(qiáng)度的前提下，單殼體結(jié)構(gòu)在重量上具有優(yōu)勢。

為進(jìn)一步對比兩型結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度特性，在此引入了相對剩余強(qiáng)度系數(shù)γ。

表2 單/雙殼體模型的剩余強(qiáng)度及破壞模式Tab.2 The residual strengh and damagemode of single and double hull structure

圖5 單/雙殼體耐壓結(jié)構(gòu)典型靜強(qiáng)度破壞模式Fig.5 The typical damagemode of single and double hull structure after impact（strikermass：300 kg，velocity：7m/s）

圖6 單/雙殼體耐壓結(jié)構(gòu)典型靜強(qiáng)度破壞模式Fig.6 The typical damagemode of single and double hull structure after impact（strikermass：1 000 kg，velocity：7m/s）

式中，Sr為結(jié)構(gòu)剩余極限強(qiáng)度值；Si為結(jié)構(gòu)初始極限強(qiáng)度值。

圖7所示為不同撞擊能量下，單/雙殼體結(jié)構(gòu)模型中耐壓殼體結(jié)構(gòu)相對剩余強(qiáng)度系數(shù)的分布規(guī)律。結(jié)果顯示：

1）由于撞擊載荷的作用造成了耐壓環(huán)肋圓柱殼體凹陷損傷，從而導(dǎo)致環(huán)肋圓柱殼體剩余強(qiáng)度的不斷下降，因此，隨著撞擊能量的增加，結(jié)構(gòu)模型耐壓殼體的相對剩余強(qiáng)度整體上呈顯著的下降趨勢。

圖7 單/雙殼體模型相對剩余強(qiáng)度特性分布規(guī)律Fig.7 The distribution of relative strengh for single and double hull structures

2）在受到橫向撞擊載荷作用后，由于非耐壓殼的破損斷裂能吸收了一定的撞擊能量，雙殼體模型耐壓殼受到的沖擊要小于單殼體模型，因此，其剩余強(qiáng)度將高于單殼體模型。單/雙殼體水下橫向撞擊變形吸能機(jī)理的研究工作可參見文獻(xiàn)［7］。

3）雙殼體模型較單殼體模型剩余強(qiáng)度的優(yōu)勢將隨著撞擊能量的增加而逐漸減小。因隨著撞擊能量的增加，雙殼體模型非耐壓殼破損時(shí)所吸收的能量占總撞擊能量的比例是逐漸下降的，而耐壓殼吸收能量的比例是逐漸增加的。當(dāng)撞擊能量足夠大（假設(shè)此時(shí)耐壓殼體無破裂），非耐壓殼破損時(shí)吸收的能量與總能量相比很小時(shí)，單/雙殼耐壓結(jié)構(gòu)的相對剩余強(qiáng)度會逐漸趨于相當(dāng)，當(dāng)撞擊載荷進(jìn)一步增大時(shí)，單殼體結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度將高于雙殼體結(jié)構(gòu)。

7 結(jié) 論

針對潛艇單/雙殼體結(jié)構(gòu)撞擊載荷作用下剩余強(qiáng)度特性的比較分析問題，本文提出了兩階段分步求解方法，分別對單/雙殼體潛艇典型結(jié)構(gòu)在受到橫向撞擊載荷后的動態(tài)響應(yīng)特性及剩余強(qiáng)度特性進(jìn)行了比較分析，結(jié)果表明：

1）在靜強(qiáng)度相當(dāng)?shù)那闆r下，單殼體結(jié)構(gòu)較雙殼體結(jié)構(gòu)的重量輕。

2）受到橫向撞擊載荷作用后，如果沖擊能量較小，雙殼體結(jié)構(gòu)由于有非耐壓殼體的防護(hù)作用，其剩余強(qiáng)度將高于單殼體結(jié)構(gòu)。但隨著撞擊載荷能量的增加，非耐壓殼體結(jié)構(gòu)吸能在結(jié)構(gòu)整體吸能中所占的比重會下降，單/雙殼體結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度趨于一致，當(dāng)撞擊載荷進(jìn)一步增大時(shí)，單殼體結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度將高于雙殼體結(jié)構(gòu)。

［1］ 楊連新.國外核潛艇事故分類 ［J］.現(xiàn)代艦船，2001（4）：20－21.

［2］ MONTFORT C，CHAUVETM.Analysis of the collision of a s ubmarine［C］//68th Shock and Vibration Symposium，1997：619－632.

［3］ DONNER R，BESNIER F，SOURNE H L.N umerical simulation of ship－submarine collisions ［C］//8th International Symposium on Practical Design of Ships and Other Floating Structures， 2001：1309－1314.

［4］ 梅志遠(yuǎn)，朱錫，呂巖松.層間水對水下雙層結(jié)構(gòu)撞擊歷程的影響分析［J］.船舶力學(xué)，2007，11（2）：259－264.

［5］ 胡志強(qiáng)，崔維成.船舶碰撞機(jī)理與耐撞性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究綜述［J］.船舶力學(xué)，2005，9（2）：131－142.

［6］ 譚大力，梅志遠(yuǎn)，陳煒燃.考慮靜水壓力的加筋圓柱殼體徑向碰撞機(jī)理研究［J］.船舶力學(xué)，2008（12）：635－641.

［7］ 梅志遠(yuǎn)，張偉，李卓.雙殼結(jié)構(gòu)水下耐撞變形吸能特性分析［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（22）：54－59.

Com parison of Residual Strength Characteristics for Double and Single Hull Submarine Subjected to Im pact Loading

Mei Zhi－yuan Li Zhuo Lü Yan－song
College of Naval Architecture and Power， Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China

T he single and double hull are main types of submarine structure.In order to compare the residual strength characteristic of two type structure s after impacted，the two type structuremodes have been designed and used with same initial static strength.First， the dynamical response of this two structuremodes under the same impact load was calculated based on FE code-MSC／Dytran， then the residual displacement field was picked out，the static strength analysis was carried out based on FE code-MSC ／Marc.The comparison analysis results show that the double hull structure have higher residual strength， when the collision load is low.However， with the impact load increased， the residual strength of this two types structure will correspond with each other.

hull structure； collision； residual strength； numerical analysis； submarine

U661.4

A

1673-3185（2011）05-07-04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.05.002

2011-02-16

軍隊(duì)“十一五”武器裝備預(yù)先研究基金資助（1010501030101）

梅志遠(yuǎn)（1973-），男，副教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：艦艇結(jié)構(gòu)力學(xué)。E-mail：zhiyuan＿mei＠163.com