含凸、凹型加肋錐-環(huán)-柱結合殼的連接結構試驗研究

呂巖松，郭日修

(海軍工程大學船舶與海洋工程系，湖北武漢430033)

加肋錐-環(huán)-柱結合殼是潛艇耐壓艇體圓柱殼與圓錐殼相連接的一種新型的、優(yōu)越的結構形式.文獻［1］對這種新型結構進行了理論分析，提出了計算方法.文獻［2］將分別制作的凸錐-環(huán)-柱結合殼和凹錐-環(huán)-柱結合殼模型進行試驗研究，并與相應的凸錐-柱結合殼和凹錐-柱結合殼進行比較，得出了一些重要的結論.實際潛艇耐壓艇體結構中，若相鄰兩艙的直徑不同，通常的連接結構形式是用圓錐殼將大圓柱殼和小圓柱殼連接，為消減錐-柱結合部由于錐殼與柱殼之間存在折角產生的高應力集中，在錐-柱結合部分別嵌入一段凸環(huán)殼塊和凹環(huán)殼塊，這樣，連接結構包括:大圓柱殼 -凸環(huán)殼塊-圓錐殼-凹環(huán)殼塊-小圓柱殼5個組成部分.對于這樣一種復雜的連接結構，采用數(shù)值方法進行應力分析，同時制作了一個含連接結構的整體模型，通過靜水外壓試驗，實測應力，研究連接結構應力分布規(guī)律;并進行破壞試驗，觀察破壞模式，分析、比較包含凸、凹型加肋錐-環(huán)-柱結合殼的連接結構的承載能力與基本結構——環(huán)肋圓柱殼的承載能力，指出計算環(huán)肋圓柱殼塑性極限載荷在潛艇結構設計中的重要意義，以指導潛艇耐壓艇體大、小圓柱殼之間的連接結構的設計.

1 試驗模型及試驗過程

如圖1所示，含凸、凹型加肋錐-環(huán)-柱結合殼的連接結構模型由試驗段和過渡段組成，#2～#11肋骨為模型試驗段，左、右端部分為模型過渡段.模型#8肋骨左側和#5肋骨右側分別為一段大圓柱殼和小圓柱殼，它們模擬潛艇耐壓艇體的基本結構，#5～#8肋骨為連接大、小圓柱殼的連接結構.通過試驗，可以比較連接結構與耐壓艇體基本結構(大、小圓柱殼)的強度.模型#2～#5肋骨及#8～#11肋骨的間距為119 mm，#5～#7肋骨的間距為109 mm，#7～#8肋骨的間距為135 mm.模型試驗段普通肋骨的尺寸為#8大肋骨模擬大圓柱殼端部艙壁，尺寸為模型試驗段中的大圓柱殼段和小圓柱殼段的板厚為6.8 mm，錐殼段板厚7.8 mm，凸環(huán)殼塊的厚度為7.8 mm，凹環(huán)殼塊的厚度為9.1 mm.模型試驗段的材料為高強度鋼.

在設計模型時，為保證強度，凸環(huán)殼塊的板厚較相鄰柱殼的殼板厚度稍有增加，因#7～#8的肋骨間距較大地超過基本肋骨間距;而凹環(huán)殼塊的板厚則需較相鄰的柱殼和錐殼的殼板厚度較多地增加，這是由于在凹錐、柱結合部，殼體子午線方向內力的合力的方向與外載荷方向相同［1］，使該部位受力嚴峻.環(huán)殼塊殼板厚度增加的程度，由計算確定.

圖1 加肋凸、凹錐－環(huán)－柱結合殼模型簡圖Fig.1 Ring-stiffened convex and concave cone-toroidcylinder combination shell model

模型試驗在壓力筒實驗室進行，分3次加載，第1次為預壓試驗，第2次為正式加載試驗，第3次為破壞性試驗.在正式加載試驗和破壞性試驗過程中，測量模型典型位置的應力;在破壞性試驗中，靜水外壓力逐步加大直到模型破壞，測量模型的極限載荷.破壞性試驗結束后，將模型吊出壓力筒，考察模型的破壞模式，并進行分析.

2 試驗結果與分析

2.1 模型的彈性應力計算與試驗結果

應用通用有限元軟件MSC/NASTRAN，對含凸、凹型加肋錐-環(huán)-柱結合殼的連接結構模型(圖1)在靜水外壓力4.4MPa作用下的應力進行計算，圖2為根據(jù)計算結果繪制的應力分布曲線與模型實測結果的對比，表1列出了模型典型位置應力計算值與實測值的對比.

圖2 模型應力分布Fig.2 Stress distribution of model

表1 靜水外壓力4.4MPa下，典型位置應力計算值和實測值的對比Table 1 Comparison of the stresses at typical points between calculated value and measured value under hydrostatic pressure 4.4MPa MPa

從圖2可以看出，計算得出的模型應力分布規(guī)律與模型試驗結果是一致的.由表1可以看出:除了個別位置，應力計算值與實測值的相對誤差均小于10%.對于應力值較小的測點，小的測量誤差帶來較大的相對誤差，通常不予考慮.計算和試驗結果還表明，連接結構的最大應力，不出現(xiàn)在耐壓艇體錐-柱結合部的環(huán)焊縫上.

由文獻［2］可知，凸錐-環(huán)-柱結合殼模型中，凸環(huán)殼塊的中面環(huán)向應力較小，內表面縱向應力較高;凹錐-環(huán)-柱結合殼模型中，凹環(huán)殼塊中部的中面環(huán)向應力較高，內表面縱向應力較小.對照圖2可以看出，對于同時含有凸、凹錐-環(huán)-柱結合殼的艙段模型，其凸環(huán)殼塊和凹環(huán)殼塊的應力分布規(guī)律與上述規(guī)律是一致的，并未因一個艙段內同時含有凸環(huán)殼塊和凹環(huán)殼塊而發(fā)生變化，因此在對這種組合殼進行結構設計時，無需考慮凸、凹環(huán)殼塊的相互影響.

2.2 模型的極限載荷和破壞模式

通過破壞性試驗，測出模型破壞時的外載荷為8.0 MPa.將模型從壓力筒中取出后，對模型的破壞模式進行考察，模型凸環(huán)殼塊和凹環(huán)殼塊本身沒有破壞或肉眼可見的變形，依然保持原來的形狀.模型在大圓柱殼#8～#9肋間出現(xiàn)肋間殼板屈服破壞，肋間殼板跨中形成塑性鉸線，肋間殼板從塑性鉸線處向內發(fā)生“皺折”，破壞的示意圖見圖3，模型破壞后的照片見圖4.

圖3 模型破壞的示意Fig.3 The sketch of collapsed model

由破壞模式可以看出:包含凸環(huán)殼塊、錐殼段和凹環(huán)殼塊的連接結構的承載能力高于基本結構——大圓柱殼的承載能力，表明:在錐-柱結合部嵌入一段環(huán)殼塊、并合理設計環(huán)殼塊的參數(shù)、形成加肋錐-環(huán)-柱結合殼后，有效地降低了錐-柱結合部的應力峰值，錐、柱結合部不再是耐壓艇體的“薄弱環(huán)節(jié)”.

圖4 模型破壞后照片F(xiàn)ig.4 Photo of collapsed model

2.3 模型破壞模式的分析

模型出現(xiàn)大圓柱殼#8～#9肋間殼板破壞，大、小圓柱殼之間的連接結構(含凸環(huán)殼塊-圓錐殼-凹環(huán)殼塊)保持完好，這表明連接結構的強度高于所連接的基本結構(環(huán)肋圓柱殼)的強度，這是連接結構應當滿足的強度要求.值得注意的是:模型的基本結構——大圓柱殼的破壞模式是肋間殼板屈服破壞，這與我們以往的潛艇耐壓艇體(環(huán)肋圓柱殼)模型試驗中觀察到的破壞模式是“失穩(wěn)”(肋間殼板失穩(wěn)或艙段總體失穩(wěn))不同，這是這次模型試驗觀察到的一個新現(xiàn)象，值得重視.出現(xiàn)這樣的破壞模式是由于以往試驗模型與這次試驗模型的基本結構(環(huán)肋圓柱殼)的相對厚度t/R(圓柱殼殼板厚度t與圓柱殼半徑R之比)不同，而t/R不同是由于模型設計的計算壓力不同.這次所進行的包含凸、凹加肋錐-環(huán)-柱結合殼的連接結構模型試驗，其極限下潛深度hj較以往試驗模型的hj約大50% ～60%.由于hj大大增加，作用在耐壓艇體上的靜水壓力大大增加，盡管選用屈服強度σs較高的鋼材，但耐壓艇體(環(huán)肋圓柱殼)的相對厚度t/R仍有較大的增加.環(huán)肋圓柱殼肋間殼板的失穩(wěn)臨界壓力PE、歐拉應力σE和失穩(wěn)臨界應力σcr按以下公式計算［5］:

因此肋間殼板失穩(wěn)臨界應力σcr與(t/R)有關，t/R增大，環(huán)肋圓柱殼的失穩(wěn)臨界應力σcr增大.若t/R增大到某個值，環(huán)肋圓柱殼的失穩(wěn)臨界應力σcr高于殼體鋼材的屈服應力σs，則在靜水外壓作用下，環(huán)肋圓柱殼肋間殼板屈服破壞將先于失穩(wěn)破壞出現(xiàn)，這就是這次模型破壞試驗中所觀察到的肋間殼板屈服破壞的原因.這與受壓直桿的破壞機理是相似的，兩端鉸支受壓直桿的歐拉載荷為［6］

臨界應力σE為

式中:l、A、r分別為壓桿的長度、截面積和截面最小慣性半徑.式(5)表明，材料一定的壓桿，其σE取決于桿的l/r.若l/r小(即壓桿短粗)，則 σE大，大至超過材料的σs，則壓桿屈服破壞;若l/r大(即壓桿細長)，則σE低，若低于材料的σs，則壓桿失穩(wěn)破壞，不出現(xiàn)屈服破壞.因此，環(huán)肋圓柱殼在靜水外壓作用下是失穩(wěn)破壞還是屈服破壞，取決于圓柱殼的相對厚度t/R，這與壓桿破壞取決于l/r是相似的，只不過前者的σcr與t/R的關系更復雜些.這次模型試驗的破壞模式提示:潛艇耐壓艇體的極限下潛深度加大到一定程度，其基本結構(環(huán)肋圓柱殼)的破壞模式將不是肋間殼板失穩(wěn)，而是肋間殼板屈服，這個變化Faulkner.D曾提到［7］，這次是在本實驗中實際觀察到.

3 潛艇結構設計面對的新問題

加大潛艇的極限下潛深度是潛艇發(fā)展的趨勢，第二次世界大戰(zhàn)中，潛艇的極限下潛深度約為100～150 m.到20世紀70年代，潛艇的極限下潛深度約翻了一番，一般達到250～300 m，一般稱之為“中等潛深”潛艇［7］.到20世紀末，一般潛艇的極限下潛深度約是第二次世界大戰(zhàn)中的3倍或更大［8］，相對于“中等潛深”潛艇，可以稱之為“大潛深”潛艇.Faulkner.D 在文獻［7］中指出，“中等潛深”潛艇耐壓艇體(環(huán)肋圓柱殼)的設計理念是:“在計算壓力作用下，保證肋間殼板不失穩(wěn).對艙段總體穩(wěn)定性，則給予更高的安全因數(shù)，以避免出現(xiàn)艙段總體失穩(wěn)”.極限下潛深度hj加大到一定程度，耐壓艇體(環(huán)肋圓柱殼)的基本破壞模式為肋間殼板屈服破壞，這與耐壓艇體結構的失穩(wěn)破壞模式本質上不同，因此上述“中等潛深”潛艇耐壓艇體結構的設計理念，不能簡單地照搬用于“大潛深”潛艇，這就給潛艇結構設計提出了2個問題:1)潛艇耐壓艇體基本結構(環(huán)肋圓柱殼、環(huán)肋圓錐殼等)屈服破壞的塑性極限載荷如何計算?2)“大潛深”潛艇耐壓艇體結構設計的“理念”是什么?這是潛艇結構設計面對的新問題，值得進一步探討.

4 結論

通過本研究，可以得出以下結論:

1)在潛艇耐壓艇體中相鄰的直徑不同的大、小艙室(環(huán)肋圓柱殼)之間，通過合理設計，設置包含凸環(huán)殼塊-圓錐殼-凹環(huán)殼塊的連接結構，其強度高于所連接的耐壓艇體基本結構(大、小環(huán)肋圓柱殼)的強度，原錐、柱結合部的應力峰值大幅度削減，最大應力不出現(xiàn)在連接結構的環(huán)焊縫上，因此，這是潛艇耐壓艇體相鄰的大、小艙室(環(huán)肋圓柱殼)之間一種優(yōu)越的連接結構形式.

2)潛艇極限下潛深度hj加大到一定程度，模型的破壞模式是大圓柱殼肋間殼板屈服破壞，這對潛艇結構設計提出了新問題，值得進一步探討.

［1］黃加強，郭日修.分區(qū)樣條等參元方法分析加肋軸對稱組合殼［J］.計算力學學報，1998，15(1):58-68.HUANG Jiaqiang，GUO Rixiu.Sub-region isoparametric spline element analysis of strength and stability of ring-stiffened combined shell of revolution［J］.Chinese Journal of Computational Mechanics，1998，15(1):58-68.

［2］郭日修呂巖松黃加強，等.加肋錐-環(huán)-柱結合殼試驗研究［J］.船舶力學，2008，12(2):252-257.GUO Rixiu，Lü Yansong，HUANG Jiaqiang，et al.Experimental research on the ring-stiffened cone-toroid-cylinder combination shell［J］.Journal of Ship Mechanics，2008，12(2):252-257.

［3］黃加強，郭日修.加肋錐-環(huán)-柱組合殼強度及穩(wěn)定性模型實驗研究［J］.中國造船，1998(4):57-65.HUANG Jiaqiang，GUO Rixiu.Model experimental research on stresses and stability of ring-stiffened cone-toroid-cylinder combined shell［J］.Shipbuilding of China，1998(4):57-65.

［4］白雪飛，陳昕，丁錦超，等.凹型加肋錐-環(huán)-柱結合殼強度的模型試驗研究［J］.船舶力學，2006，10(2):65-72.BAI Xuefei，CHEN Xin，DING Jinchao，et al.Experimental research of the strength of ring-stiffened concave cone-toroidcylinder combined shell［J］.Journal of Ship Mechanics，2006，10(2):65-72.

［5］許輯平.潛艇強度［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1980:81.

［6］單輝祖.材料力學教程［M］.北京:高等教育出版社，2004:252.

［7］FAULKNER D.The collapse strength and design of submarines［C］//The Symposium on Naval Submarines.London，1983.

［8］BURCHER R，RYDILL L.Concepts in submarine design［M］.London:Cambridge University Press，1994:72.