某型潛艇開孔修補方案的分析

趙 健 邵優(yōu)華 周惠元

（1.海軍駐上海地區(qū)艦炮系統(tǒng)軍事代表室 上海 200135；2.中國人民解放軍第四八○五工廠 上海 200135）

0 引 言

潛艇的耐壓殼體是潛艇的主體結(jié)構(gòu)，應具有良好的水密性和強度，是潛艇生命力的重要保證［1］。某型潛艇在維修時誤在耐壓殼體上開孔。為確保耐壓殼體的整體強度和修理進度，制造廠提出在肋骨腹板處開孔或局部切斷肋骨的修補方案。但開孔和切斷肋骨會使該部位耐壓殼體結(jié)構(gòu)的強度有所減弱，當潛艇在船臺修理期間，在自身重力作用下，耐壓殼板可能會產(chǎn)生變形。因此采用有限元方法對局部開孔或切斷肋骨情況下的潛艇耐壓殼體的變形和應力進行計算分析［2］，評估施工方案。

1 殼體開孔位置及修補方案

某艇艙32號～33號肋骨之間的耐壓殼上有一個圓形孔。該孔位于32號肋骨根部，直徑為135 mm，向艏沿圓周朝向十點鐘方向。為了對該孔進行修補，擬在肋骨腹板處開工藝孔或局部切斷肋骨，以方便施工。具體方案如下:

方案1:在32號肋骨腹板開長圓型孔，孔的尺寸為長200～300 mm、高100 mm，同時縱向增加兩根T型加強材，加強材尺寸與32號肋骨相同。

方案2:將32號肋骨切斷，長度為800 mm，同時縱向加兩根T型加強材，加強材尺寸同32號肋骨。

2 有限元計算模型

2.1 有限元模型

運用有限元分析軟件的MSC.PATRAN［3］模塊建立開口所在艙段耐壓船體結(jié)構(gòu)有限元模型，并對開口艙段耐壓船體結(jié)構(gòu)的應力和變形進行計算分析。考慮到開孔僅會對耐壓殼體的局部產(chǎn)生影響，因此有限元模型的范圍僅選取潛艇的某艙段，建立如圖1所示的有限元模型，圖2為開孔處模型放大圖。整個模型均采用shell單元。

圖1 計算模型整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 開孔處模型

2.2 材料參數(shù)

模型材料為鋼材，彈性模量E=2.1×108kPa，泊松比λ=0.3，密度ρ=0.00000785 kg/mm3。建模采用了kg·mm·s單位制，在該單位制下位移計算結(jié)果單位為mm，應力計算結(jié)果單位為kPa。

2.3 載荷分布

計算載荷為殼體自身重力和艙內(nèi)設(shè)備重力，艙段從22號肋位至37號肋位的質(zhì)量分布如表1所示?？紤]到設(shè)備位置的不確定性，將設(shè)備的質(zhì)量均勻分布到艇體整個圓周上。

表1 某艙質(zhì)量分布表

2.4 邊界條件

模型邊界為22號肋位艙壁與37號肋位艙壁，邊界條件取為簡支?？紤]到坐墩時墩木對于艇體變形的支撐，因此將與墩木接觸的區(qū)域進行徑向約束。

2.5 計算網(wǎng)格

對模型使用50 mm×50 mm的網(wǎng)格尺度進行劃分，在開口區(qū)域網(wǎng)格加密，尺度變?yōu)?0 mm×20 mm。整個有限元模型共94981個節(jié)點、94532個單元。

2.6 計算結(jié)果

艇體未切斷肋骨或未在肋骨腹板開孔時，在重力作用下，整體變形均比較小。最大位移出現(xiàn)在坐墩附近，約為0.110 mm，如圖3所示；艇體頂端位移相對較大，最大位移為0.0832 mm；開孔處位移相對較小，其最大位移約為0.0685 mm，如圖4所示。

圖3 整體位移云圖

圖4 開孔附近位移云圖

模型應力整體較小，最大應力出現(xiàn)在F26坐墩端部附近，約為11.2 MPa，如圖5所示；開孔附近出現(xiàn)應力集中，最大約為2.07 MPa，如圖6所示。

圖5 整體中面應力云圖

圖6 圓孔附近中面應力云圖

2.7 肋骨腹板開孔后模型的應力與變形

圖7 整體位移云圖

方案1為在肋骨腹板開腰型孔，并在殼體開孔兩側(cè)增加縱向加強筋。此時，最大位移出現(xiàn)在F26坐墩附近，約為0.110 mm，如圖7所示；艇體頂端位移也較大，最大位移達0.0838 mm；開孔處位移較小，其最大位移約為0.0657 mm，如圖8所示。應力整體較小，最大應力出現(xiàn)在F26坐墩端部附近，約為11.0 MPa，如圖9所示；開孔附近出現(xiàn)應力集中，最大約為2.22 MPa，如圖10所示。

圖8 圓孔附近位移云圖

圖9 整體中面應力云圖

圖10 圓孔附近中面應力云圖

2.8 局部切斷肋骨后模型的應力與變形

方案2為在局部切斷肋骨，并在兩側(cè)增加縱向加強筋。此時，最大位移出現(xiàn)在F26坐墩附近，約為0.110 mm，如圖11所示；艇體頂端位移也較大，最大位移達0.0839 mm；開孔處位移最大值約為0.0728 mm，如圖12所示。模型應力整體較小，最大應力出現(xiàn)在F26坐墩端部附近，約為11.2 MPa，如圖13所示；開孔附近出現(xiàn)應力集中，最大約為2.52 MPa，如圖14所示。

圖11 整體位移云圖

圖12 開孔附近位移云圖

圖13 整體中面應力云圖

圖14 開孔附近中面應力云圖

2.9 網(wǎng)格尺度對計算結(jié)果影響的分析

為消除有限元網(wǎng)格尺度對計算結(jié)果的影響［4］，增加了計算模型的網(wǎng)格密度，并對計算結(jié)果進行對比。模型整體網(wǎng)格尺寸為25 mm×25 mm，開口處網(wǎng)格加密尺寸為10 mm×10 mm。加密后整個有限元模型共包括379009個節(jié)點、378092個單元，模型如圖15、圖16所示。

圖15 網(wǎng)格加密后整體位移云圖

圖16 網(wǎng)格加密后整體應力云圖

表2列出了網(wǎng)格密度對計算結(jié)果的影響?？梢姡W(wǎng)格加密后的計算結(jié)果變化不大，建立的有限元模型已經(jīng)消除了網(wǎng)格尺度對計算結(jié)果的影響。

表2 網(wǎng)格密度對計算結(jié)果的影響

3 計算結(jié)果分析

表3列出了施工前、開工藝孔后以及局部切斷肋骨后三種情況下模型最大位移和應力值。

由表3可見，局部切斷肋骨或在肋骨腹板處開工藝孔，對模型整體的最大位移和最大應力幾乎沒有影響。根據(jù)施工要求，主要對于開孔處、殼體頂端的位移比較關(guān)心?，F(xiàn)對三種工況下，上述位置的應力和位移進行比較，如表4所示。

表3 模型的最大應力和最大位移

表4 關(guān)鍵部位的變形與應力

由表4可知，局部切斷肋骨或在肋骨腹板處開工藝孔后，對模型開孔處及殼體頂端的變形和應力影響均較小。

通過上述計算結(jié)果可知，盡管局部切斷肋骨或在肋骨腹板處開工藝孔使耐壓殼體的局部強度有所降低，但由于增加兩根縱向加強筋，增加了局部強度，因此該處的結(jié)構(gòu)強度變化不大。

4 結(jié) 論

通過對耐壓殼體上有圓孔、在耐壓殼圓孔附近的肋骨腹板處開工藝孔并用縱向加強筋加強以及局部切斷肋骨并用縱向加強筋加強三種狀態(tài)進行有限元建模計算和分析，并綜合參考GJB4000-2000中的相關(guān)規(guī)定［5］，得出以下結(jié)論:

（1）局部切斷肋骨或在肋骨腹板處開工藝孔，并在耐壓殼圓孔附近增加兩根縱向加強筋后，在重力作用下，耐壓殼整體及開孔附近的變形和應力均較小。從有限元分析結(jié)果來看兩種施工方案相差不大。

（2）兩種施工方案的選取建議由制造廠根據(jù)實際施工條件和焊接工藝可靠性確定。

制造廠根據(jù)評估結(jié)果和現(xiàn)場實際，選取方案1作為修補方案，修補后通過無損探傷及密性試驗，驗證了此方案的可靠性，從而為以后的修理積累經(jīng)驗。

［1］謝祚水，施麗娟.潛艇全船耐壓結(jié)構(gòu)有限元應力分析［J］.船舶工程，2002，15（2）:3-5.

［2］孫麗萍.船舶結(jié)構(gòu)有限元分析［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2004.

［3］周博，徐志亭，王曉宇.某型船補給基座及加強結(jié)構(gòu)強度分析［J］.船舶，2013，24（3）:38-39.

［4］杜平安.有限元劃分的基本原則［J］.機械設(shè)計與制造，2000，13（1）:15-16.

［5］中華人民共和國國家軍用標準GJB4000.艦船通用規(guī)范［S］.2000.