潛艇耐壓液艙設(shè)計(jì)

黃鎮(zhèn)熙，王祖華

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

潛艇耐壓液艙設(shè)計(jì)

黃鎮(zhèn)熙，王祖華

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

以Sysware為設(shè)計(jì)平臺(tái)，以滿足現(xiàn)行規(guī)范要求為設(shè)計(jì)條件，對(duì)實(shí)肋板帶液艙殼板縱骨的耐壓液艙進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)變量、約束條件及目標(biāo)函數(shù)的分析，提出了耐壓液艙優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)變量、約束條件及目標(biāo)函數(shù)。通過(guò)對(duì)算例的優(yōu)化，對(duì)耐壓液艙的設(shè)計(jì)提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方向，對(duì)實(shí)肋板減輕孔的設(shè)計(jì)提出了改進(jìn)意見。本文對(duì)耐壓液艙的規(guī)范設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用。

潛艇;耐壓液艙;縱骨;實(shí)肋板;優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

潛艇耐壓液艙的主要功能是調(diào)整潛艇的重量及平衡潛艇左右舷的重量。當(dāng)潛艇處于水下潛航狀態(tài)時(shí)，潛艇所排開水的體積是固定的，即潛艇所受的浮力是不變的，當(dāng)潛艇中的變動(dòng)載荷消耗和代換時(shí)，可通過(guò)調(diào)整耐壓液艙中的水量來(lái)保持潛艇的重力與浮力的平衡。潛艇耐壓液艙一般布置在潛艇的重心附近以滿足在重量調(diào)整時(shí)，潛艇的重心變化較小。單殼體潛艇耐壓液艙布置在耐壓體的內(nèi)部，雙殼體潛艇耐壓液艙常布置在耐壓體的外部，如圖1所示。本文主要對(duì)雙殼體潛艇耐壓液艙進(jìn)行討論，故在以下的論述中都指布置在耐壓體外部的耐壓液艙。由于耐壓液艙要承受與耐壓殼板相同的水壓，故耐壓液艙的設(shè)計(jì)壓力與耐壓殼體一樣。這就導(dǎo)致了耐壓液艙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)剛度大、重量大、施工困難等特點(diǎn)。從耐壓液艙的結(jié)構(gòu)形式來(lái)看，主要有托板式、實(shí)肋板式、實(shí)肋板帶液艙殼板縱骨、實(shí)肋板帶雙縱骨結(jié)構(gòu)等。托板式與實(shí)肋板式結(jié)構(gòu)由于承載能力較差，故使用較少，實(shí)肋板帶雙縱骨結(jié)構(gòu)由于施工條件差本文也不準(zhǔn)備討論。本文主要對(duì)實(shí)肋板帶液艙殼板縱骨的耐壓液艙(如圖2所示)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究與討論。

耐壓液艙的應(yīng)力錯(cuò)綜復(fù)雜，應(yīng)力集中嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)重量比無(wú)耐壓液艙區(qū)域的單殼體結(jié)構(gòu)重量大一倍以上，因而耐壓液艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一直受到廣大學(xué)者的關(guān)注。國(guó)內(nèi)對(duì)耐壓液艙設(shè)計(jì)已有很多研究，文獻(xiàn)［1－2］對(duì)耐壓液艙的計(jì)算方法進(jìn)行了研究與分析，文獻(xiàn)［3－4］對(duì)耐壓液艙的應(yīng)力及優(yōu)化計(jì)算進(jìn)行了研究與分析，但在滿足現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)的條件下，指導(dǎo)耐壓液艙優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究不多。

耐壓液艙的設(shè)計(jì)首先要滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，在規(guī)范設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上用有限元驗(yàn)證。本文主要研究在滿足國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的潛艇規(guī)范條件下，使耐壓液艙的設(shè)計(jì)既快速又科學(xué)合理。

1 帶液艙殼板縱骨的耐壓液艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

1.1 規(guī)范對(duì)耐壓殼板的設(shè)計(jì)要求

由于耐壓殼板受水壓力及實(shí)肋板的擠壓，在耐壓液艙區(qū)域的耐壓殼板要承受比普通的耐壓殼板更大的作用力。規(guī)范對(duì)耐壓殼板有強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求。規(guī)范要求實(shí)肋板根部耐壓殼板外表面縱向應(yīng)力及相鄰實(shí)肋板跨中耐壓殼板內(nèi)表面縱向應(yīng)力滿足規(guī)定的強(qiáng)度要求;規(guī)范也要求液艙區(qū)域耐壓殼板極限承載能力滿足規(guī)定的設(shè)計(jì)載荷要求。

1.2 規(guī)范對(duì)液艙殼板的設(shè)計(jì)要求

規(guī)范對(duì)液艙殼板有強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求。強(qiáng)度要求主要對(duì)實(shí)肋板根部液艙殼板縱向應(yīng)力、相鄰實(shí)肋板跨中縱骨根部液艙殼板中面周向應(yīng)力及液艙殼板板格中心外表面周向應(yīng)力小于規(guī)范規(guī)定的值;穩(wěn)定性要求主要指液艙殼板板格穩(wěn)定性及液艙殼板整體穩(wěn)定性滿足規(guī)定的要求。

1.3 規(guī)范對(duì)液艙艙壁板的設(shè)計(jì)要求

規(guī)范對(duì)艙壁板有強(qiáng)度要求。強(qiáng)度要求主要指液艙橫艙壁板邊彎曲應(yīng)力、橫艙壁徑向加強(qiáng)筋自由翼緣彎曲應(yīng)力及橫艙壁徑向加強(qiáng)筋端部截面腹板剪應(yīng)力小于規(guī)范規(guī)定的值。

1.4 規(guī)范對(duì)實(shí)肋板及加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)要求

規(guī)范對(duì)實(shí)肋板及加強(qiáng)筋有穩(wěn)定性要求。穩(wěn)定性要求主要指實(shí)肋板板格穩(wěn)定性及實(shí)肋板徑向加強(qiáng)筋穩(wěn)定性滿足規(guī)定的要求。

1.5 規(guī)范對(duì)液艙殼板縱骨的設(shè)計(jì)要求

規(guī)范對(duì)液艙殼板縱骨有強(qiáng)度要求。強(qiáng)度要求主要指實(shí)肋板根部縱骨自由翼板上總應(yīng)力及縱骨跨端腹板剪應(yīng)力滿足規(guī)定的強(qiáng)度要求。

1.6 設(shè)計(jì)要求的實(shí)施

上述所有的規(guī)范對(duì)耐壓液艙的設(shè)計(jì)要求都將轉(zhuǎn)化成耐壓液艙優(yōu)化計(jì)算中的約束條件來(lái)實(shí)施。

2 耐壓液艙壁優(yōu)化計(jì)算準(zhǔn)備

2.1 耐壓液艙壁設(shè)計(jì)變量分析

對(duì)帶縱骨的耐壓液艙結(jié)構(gòu)分析后可以發(fā)現(xiàn)其設(shè)計(jì)變量很多，總計(jì)約有幾十個(gè)設(shè)計(jì)變量。如果對(duì)幾十個(gè)設(shè)計(jì)變量不分主次眉毛胡子一把抓，就會(huì)花費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間而且得不到好的結(jié)果。如何才能既減少設(shè)計(jì)變量數(shù)目又能簡(jiǎn)化計(jì)算呢?通過(guò)仔細(xì)分析結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)耐壓液艙特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，立體交叉。為了使結(jié)構(gòu)傳力明確，必須是縱橫結(jié)構(gòu)互相對(duì)應(yīng)并交匯在某些公共點(diǎn)。例如橫艙壁的加強(qiáng)筋應(yīng)與縱骨相對(duì)應(yīng)，即在橫艙壁上有縱骨通過(guò)之處都應(yīng)設(shè)置徑向加強(qiáng)筋。實(shí)肋板上徑向加強(qiáng)筋也必須設(shè)置在有縱骨通過(guò)之處，雖然不用在每根縱骨通過(guò)之處都設(shè)加強(qiáng)筋，也要在間隔1根處設(shè)加強(qiáng)筋。因此只要縱骨的間距發(fā)生改變，橫艙壁上的加強(qiáng)筋及實(shí)肋板上的加強(qiáng)筋的數(shù)量都會(huì)發(fā)生改變，可以說(shuō)縱骨的間距是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)變量。其次，肋骨間距也是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)變量，肋骨間距改變后其他設(shè)計(jì)變量都會(huì)發(fā)生較大改變。其他較為敏感的設(shè)計(jì)變量有耐壓殼板厚度、液艙殼板厚度、橫艙壁厚度、實(shí)肋板厚度等。敏感是指它的改變會(huì)對(duì)約束條件產(chǎn)生較大的影響。對(duì)于縱骨、橫艙壁上的加強(qiáng)筋及實(shí)肋板上的加強(qiáng)筋這樣的設(shè)計(jì)變量，如果按加強(qiáng)筋的面板厚度與寬度、腹板高度與厚度來(lái)設(shè)置設(shè)計(jì)變量，那就要設(shè)置12個(gè)設(shè)計(jì)變量，實(shí)在太多，不利于優(yōu)化計(jì)算。為了減少這樣的設(shè)計(jì)變量，本文計(jì)算中首先設(shè)置一個(gè)系列的型材，以正整數(shù)區(qū)分，從6開始按1遞增直至30。每個(gè)數(shù)都與1個(gè)相應(yīng)的型材對(duì)應(yīng)。還設(shè)置1個(gè)腹板截去高度作為輔助參數(shù)，該參數(shù)也取正整數(shù)。這樣就可以用2個(gè)設(shè)計(jì)變量來(lái)描述一種加強(qiáng)筋的剖面要素。對(duì)上述12個(gè)設(shè)計(jì)變量就可以減少成6個(gè)。對(duì)其他的設(shè)計(jì)變量則采取某些約定，如對(duì)實(shí)肋板環(huán)向筋的大半徑及小半徑則取成與耐壓體計(jì)算半徑及耐壓液艙殼板計(jì)算半徑間距相等的位置。對(duì)實(shí)肋板的減輕孔半徑看作常數(shù)，在優(yōu)化系列計(jì)算中保持不變;對(duì)減輕孔的長(zhǎng)度可取作實(shí)肋板徑向筋間距的某個(gè)數(shù)。采取約定后有些設(shè)計(jì)變量就可以通過(guò)計(jì)算得到。對(duì)計(jì)算壓力、耐壓體計(jì)算半徑及耐壓液艙殼板計(jì)算半徑，在優(yōu)化計(jì)算中，可以保持不變以減少設(shè)計(jì)變量。雖然縱骨的間距與肋骨間距是重要的設(shè)計(jì)變量，但縱骨的間距與許多變量相關(guān)，幾何關(guān)系復(fù)雜，其變化的步長(zhǎng)用所含的徑向角來(lái)表示，肋骨間距變化的步長(zhǎng)按50 mm計(jì)算，所以本文計(jì)算中對(duì)縱骨的間距與肋骨間距采用設(shè)定的方法來(lái)調(diào)節(jié)，不直接列為設(shè)計(jì)變量。本文中，共設(shè)定了耐壓殼板厚度、液艙殼板厚度、橫艙壁厚度、實(shí)肋板厚度、縱骨、橫艙壁上的加強(qiáng)筋及實(shí)肋板上的加強(qiáng)筋等10個(gè)設(shè)計(jì)變量。

2.2 耐壓液艙壁目標(biāo)函數(shù)研究

潛艇結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算主要目的還是減少結(jié)構(gòu)重量，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)重量太大，會(huì)給總體的浮力平衡帶來(lái)很大困難，甚至?xí)節(jié)撏o(wú)法上浮。因而，本文優(yōu)化計(jì)算的目標(biāo)函數(shù)還是取作結(jié)構(gòu)重量。在規(guī)范計(jì)算中，耐壓液艙的上部圓弧半徑與計(jì)算無(wú)關(guān)，所以在結(jié)構(gòu)重量計(jì)算中僅取下部90°圓弧部分的重量，液艙長(zhǎng)度取20個(gè)肋距，內(nèi)含2個(gè)橫艙壁及艙壁加強(qiáng)筋、19個(gè)實(shí)肋板及實(shí)肋板加強(qiáng)筋、縱骨、耐壓殼板及液艙殼板。為消除長(zhǎng)度不同引起重量差異，本文計(jì)算中采用單位長(zhǎng)度的重量(kg/m)來(lái)表示。在本文的目標(biāo)函數(shù)計(jì)算中未計(jì)及豎龍骨及豎龍骨上加強(qiáng)筋重量，因該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度由坐墩計(jì)算控制，在耐壓液艙計(jì)算中可視作常量。

2.3 耐壓液艙壁優(yōu)化計(jì)算工具

本文所用的優(yōu)化計(jì)算工具主要采用iSIGHT優(yōu)化程序及自編程序。首先采用北京索為公司的SYSWARE平臺(tái)對(duì)按規(guī)范計(jì)算的程序進(jìn)行封裝，生成有參數(shù)化設(shè)計(jì)界面的計(jì)算模塊，如圖3所示。在圖3中可以看到設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖、設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)、重量計(jì)算及程序輸出參數(shù)，輸出參數(shù)的右邊框中的值為約束條件控制值。使用該計(jì)算模塊可以進(jìn)行初算以減少設(shè)計(jì)變量的變化區(qū)域，去掉那些不滿足約束條件的取值范圍。其次使用該計(jì)算模塊的優(yōu)化計(jì)算功能。該計(jì)算模塊能與iSIGHT優(yōu)化程序自動(dòng)關(guān)聯(lián)，設(shè)定優(yōu)化算法，進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。iSIGHT中設(shè)計(jì)變量、約束條件及目標(biāo)函數(shù)的設(shè)置見圖4。盡管iSIGHT優(yōu)化程序的優(yōu)化算法很多，但計(jì)算速度相對(duì)較慢，當(dāng)某些優(yōu)化算法需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，可選用花費(fèi)時(shí)間較短的優(yōu)化算法。另外，本文還采用自編程序優(yōu)化，也是先利用參數(shù)化設(shè)計(jì)界面的計(jì)算模塊設(shè)定設(shè)計(jì)變量的變化范圍，再采用窮舉法進(jìn)行優(yōu)化，雖然計(jì)算次數(shù)較多，但因計(jì)算速度很快，因此一般只需花費(fèi)十幾分鐘就能完成一個(gè)優(yōu)化計(jì)算。二者的計(jì)算結(jié)果并無(wú)多大差別。自編優(yōu)化程序的計(jì)算界面同圖3，但采用的計(jì)算程序不同。

3 耐壓液艙優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

3.1 設(shè)計(jì)算例

設(shè)某潛艇耐壓體的半徑為4 000 mm，耐壓液艙殼板半徑為5 000 mm，潛艇的計(jì)算壓力為3.56 MPa，耐壓液艙布置在耐壓體外，材料屈服點(diǎn)取600 MPa，要求對(duì)該耐壓液艙進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算。本文下面的計(jì)算結(jié)論都是通過(guò)該算例得到的。

3.2 最優(yōu)設(shè)計(jì)時(shí)縱骨間距、肋距與耐壓液艙重量關(guān)系

在潛艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中縱骨間距雖然不像肋距一樣按50 mm的倍數(shù)遞進(jìn)，也不是任意設(shè)置，基本上要沿圓周均布，可用縱骨間距所含的圓心角來(lái)設(shè)置。在本文計(jì)算中取圓心角6.5°～9°。因?yàn)樘〉膱A心角施工非常困難，無(wú)法實(shí)現(xiàn)，只能舍棄。肋骨間距取500～650 mm。設(shè)沿減輕孔中心左右實(shí)肋板徑向筋之間的距離為B，在本文計(jì)算中取實(shí)肋板減輕孔長(zhǎng)度為0.8B。圖5顯示了在滿足規(guī)范條件下，縱骨間距、肋距與耐壓液艙單位長(zhǎng)度重量的關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)縱骨所含圓心角越小，耐壓液艙的重量也越小，當(dāng)肋距變小時(shí)耐壓液艙的重量基本上也有變小的趨勢(shì)，當(dāng)縱骨間距所含圓心角為6.5°、肋距取為500 mm時(shí)，耐壓液艙的重量最小。

圖5 縱骨間距、肋骨間距與液艙總重關(guān)系圖Fig.5 The relation among the longitudinal rib spacing，the rib spacing and the total weight of the tank

3.3 最優(yōu)設(shè)計(jì)時(shí)肋距與設(shè)計(jì)變量關(guān)系

當(dāng)縱骨間距不變達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)時(shí)，液艙殼板厚度、耐壓殼板厚度、實(shí)肋板厚度、艙壁板厚度與肋距的關(guān)系如圖6、圖8和圖10所示。圖6、圖8和圖10分別與縱骨所含圓心角6.5°，8°和9°相對(duì)應(yīng)。從圖中可以看出，當(dāng)肋距增加時(shí)耐壓殼板厚度呈遞增的趨勢(shì)，而液艙殼板厚度、實(shí)肋板厚度、艙壁板厚度則基本持平或略有增加。當(dāng)縱骨間距不變，達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)時(shí)縱骨截面積、實(shí)肋板型材截面積、艙壁板型材截面積與肋距的關(guān)系如圖7、圖9和圖11所示。圖7、圖9和圖11分別與縱骨所含圓心角6.5°，8°和9°相對(duì)應(yīng)。從圖中可以看出，當(dāng)肋距增加時(shí)縱骨截面積、實(shí)肋板型材截面積都是呈遞增的趨勢(shì)，而艙壁板型材截面積則基本持平。僅在縱骨所含圓心角為9°時(shí)，實(shí)肋板型材截面積在肋距550 mm時(shí)最小。此時(shí)，雖然縱骨截面積、艙壁板型材截面積、液艙殼板厚度、耐壓殼板厚度、實(shí)肋板厚度及艙壁板厚度都比肋距500 mm時(shí)大或相同，但單位長(zhǎng)度的重量卻減少了，其主要原因是縱骨截面高度的增加使艙壁板加強(qiáng)筋的長(zhǎng)度縮短，從而使總重量減少。

圖11 縱骨夾角9°時(shí)艙壁板型材、縱骨型材、實(shí)肋板型材與液艙總重關(guān)系圖Fig.11 The relation among the bulkhead plate profile longitudinal profile，the solid floor profile and the weight of tank when the longitudinal angle of 9°

3.4 實(shí)肋板減輕孔大小與重量關(guān)系

現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)中將實(shí)肋板的減輕孔設(shè)計(jì)為圓形，作者認(rèn)為還可以挖潛，將減輕孔設(shè)計(jì)為長(zhǎng)圓形，并適當(dāng)修改相應(yīng)公式即可。在本文的計(jì)算中將實(shí)肋板的減輕孔設(shè)計(jì)為長(zhǎng)圓形，其長(zhǎng)度方向沿圓周方向，如圖2所示。當(dāng)其他條件不變時(shí)，僅改變實(shí)肋板加強(qiáng)筋的型號(hào)、截面尺寸及減輕孔的長(zhǎng)度(不改變減輕孔的半徑)，重新優(yōu)化比較減輕孔的長(zhǎng)度對(duì)重量的影響。設(shè)沿減輕孔中心左右實(shí)肋板徑向筋之間的距離為B，分別取減輕孔的長(zhǎng)度為0.5B，0.55B，0.6B，0.65B，0.7B，0.75B，0.775B及0.8B時(shí)，計(jì)算耐壓液艙的重量得到圖12和圖13(考慮縱骨最大夾角及最小夾角時(shí)液艙重量較小的肋距工況)。圖12為縱骨夾角為9°、肋距為550 mm時(shí)優(yōu)化計(jì)算所得曲線。圖13為縱骨夾角為6.5°、肋距為500 mm時(shí)優(yōu)化計(jì)算所得曲線。從圖12可以看出，當(dāng)縱骨夾角為9°、肋距為550 mm時(shí)，減輕孔的長(zhǎng)度與徑向筋之間的距離之比為0.75時(shí)耐壓液艙的重量最小。從圖13可以看出，當(dāng)縱骨夾角為6.5°、肋距為500 mm時(shí)，減輕孔的長(zhǎng)度與徑向筋之間的距離之比為0.775時(shí)耐壓液艙的重量最小。

圖12 縱骨夾角為9°、肋距550 mm時(shí)減輕孔長(zhǎng)度與液艙總重關(guān)系圖Fig.12 The relation among the length of the lighting hole and the weight of tank when the longitudinal angle of 9°，the rig spacing for 550 mm

圖13 縱骨夾角為6.5°、肋距500 mm時(shí)減輕孔長(zhǎng)度與液艙總重關(guān)系圖Fig.13 The relation among the length of the lighting hole and the weight of tank when the longitudinal angle of 6.5°，the rig spacing for 500 mm

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)本文算例的優(yōu)化可以得出以下結(jié)論:

1)在滿足施工許可的條件下，縱骨間距越小、肋骨間距越小，耐壓液艙的結(jié)構(gòu)重量越輕。

2)當(dāng)縱骨間距不變時(shí)，隨著肋距增加耐壓殼板厚度呈遞增趨勢(shì)，而液艙殼板厚度、實(shí)肋板厚度、艙壁板厚度則基本持平或略有增加。

3)當(dāng)縱骨間距不變時(shí)，隨著肋距增加縱骨截面積、實(shí)肋板型材截面積都是呈遞增的趨勢(shì)，而艙壁板型材截面積則基本持平。

4)當(dāng)其他條件不變時(shí)，實(shí)肋板減輕孔的長(zhǎng)度與徑向筋之間的距離之比為0.75～0.775時(shí)，耐壓液艙的結(jié)構(gòu)重量最輕。

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Research on submarine pressure tank design

HUANG Zhen-xi，WANG Zu-hua
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China)

In this paper，we conducted a optimal design for the pressure tank with longitudinal rib and solid floor，with the“Sysware”for the design platform，and with the current criterion requirements for the design conditions.Through the analysis of the design variables，the constraints condition and the objective function we presented the main design variables，the constraints condition and the objective function.With the optimization by example，we proposed the direction of the optimal design and the improved idea for the design of the lighting hole on the solid floor.The paper is a guide for the criterion design of the pressure tank.

submarine;pressure tank;longitudinal rib;solid floor;optimum design

U663

A

1672－7649(2012)04－0030－06

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.04.007

2011－07－05;

2011－12－21

黃鎮(zhèn)熙(1943－)，男，研究員，從事艦船結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)工作。