不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的錐環(huán)柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能分析

肖文勇，黃 旎

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的錐環(huán)柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能分析

肖文勇，黃 旎

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

錐環(huán)柱結(jié)構(gòu)是柱殼和錐殼連接的一種新型結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)了柱殼和錐殼的光順連接，可消除結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，降低縱向彎曲應(yīng)力峰值，應(yīng)力分布均勻，結(jié)構(gòu)重量小，且最大應(yīng)力部位避開(kāi)了焊縫。通過(guò)不同結(jié)構(gòu)形式的計(jì)算和對(duì)比分析，展示錐環(huán)柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)越力學(xué)性能。通過(guò)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的多方案計(jì)算和分析比較，得到環(huán)殼半徑、環(huán)殼厚度和半錐角對(duì)環(huán)殼力學(xué)性能的影響。

錐環(huán)柱結(jié)構(gòu)；應(yīng)力；結(jié)構(gòu)參數(shù)

潛艇耐壓結(jié)構(gòu)主要是圓柱殼，但根據(jù)總體布置的需求，往往需要采用不同直徑耐壓船體，從而形成錐柱結(jié)合結(jié)構(gòu)。在錐殼和柱殼的結(jié)合部位，耐壓船體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)縱向不連續(xù)。在深水壓力下，結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性使耐壓船體局部產(chǎn)生了比較高的二次應(yīng)力——高應(yīng)力集中，從而削弱了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和疲勞性能。錐殼的半錐角越大，應(yīng)力集中的峰值越高，并且該峰值應(yīng)力出現(xiàn)在柱殼和錐殼連接的焊縫上。因此，錐柱結(jié)合結(jié)構(gòu)是潛艇耐壓結(jié)構(gòu)的薄弱部位，它制約潛艇耐壓結(jié)構(gòu)的承載能力，是潛艇下潛深度的瓶頸。

文獻(xiàn)[1-2]中介紹了幾種常見(jiàn)的局部加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)形式，主要有“貼板加強(qiáng)” “厚板對(duì)接加強(qiáng)” “縱筋加強(qiáng)”和“厚板削斜”等。前兩種加強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式現(xiàn)在已淘汰不用,目前使用較多的是縱筋加強(qiáng)結(jié)構(gòu)和厚板削斜結(jié)構(gòu)?？v筋加強(qiáng)結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)是通過(guò)周向布置一定數(shù)量的縱向加強(qiáng)筋，其特點(diǎn)是制造工藝簡(jiǎn)單，對(duì)建造偏差不敏感。該種結(jié)構(gòu)形式是由縱筋承擔(dān)轉(zhuǎn)折區(qū)的縱向彎矩，在一定程度上降低了結(jié)合區(qū)的縱向應(yīng)力，但應(yīng)力峰值依然較高，且出現(xiàn)了量值較高的拉應(yīng)力，當(dāng)采用高強(qiáng)度鋼時(shí)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋，易出現(xiàn)疲勞破壞[3-4]。厚板削斜結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)是在錐柱結(jié)合處嵌入一個(gè)厚板錐殼段，使其半錐角為原錐柱錐殼半錐角的一半，兩端通過(guò)加工削斜，與前后的錐柱殼體對(duì)接，其特點(diǎn)是應(yīng)力分布較為均勻，對(duì)周向應(yīng)力和縱向應(yīng)力均能有效降低，解決了焊縫與高應(yīng)力點(diǎn)錯(cuò)開(kāi)問(wèn)題，對(duì)加工偏差不敏感，但結(jié)構(gòu)重量較重，對(duì)應(yīng)力的降低也有限。

圖1 縱筋加強(qiáng)結(jié)構(gòu)

圖2 厚板削斜結(jié)構(gòu)

隨著潛艇下潛深度的增加，上述結(jié)構(gòu)形式已逐漸不能滿足使用要求。近年來(lái)相關(guān)單位通過(guò)研究，提出了“錐環(huán)柱結(jié)合殼”(見(jiàn)圖3)的新型結(jié)構(gòu)形式[5]。

圖3 錐環(huán)柱結(jié)合殼結(jié)構(gòu)

錐環(huán)柱結(jié)合殼是在柱殼和錐殼之間嵌入一段“環(huán)殼塊”，“環(huán)殼塊”兩端分別與柱殼和錐殼相切連接，實(shí)現(xiàn)了柱殼與錐殼的光順連接，從而消除了結(jié)合部的折角，大幅度降低了結(jié)合部的應(yīng)力峰值，而且結(jié)合部的最大應(yīng)力不出現(xiàn)在環(huán)殼塊與柱殼和錐殼連接的焊縫上。同時(shí)該種結(jié)構(gòu)形式重量也較輕。文獻(xiàn)[6-7]對(duì)錐環(huán)柱結(jié)合殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模型試驗(yàn)，驗(yàn)證了錐環(huán)柱結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，并與錐柱等其他結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了比較，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性均高于同樣厚度的其他結(jié)構(gòu)形式，得出錐環(huán)柱結(jié)合殼結(jié)構(gòu)是一種優(yōu)越結(jié)構(gòu)形式的結(jié)論。

在以往的研究中，相關(guān)文獻(xiàn)并未對(duì)錐環(huán)柱結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的相關(guān)影響參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究。對(duì)于錐環(huán)柱結(jié)合殼結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能主要取決于環(huán)殼半徑、環(huán)殼厚度和錐殼半錐角等結(jié)構(gòu)參數(shù)。文中首先采用有限元分析方法，對(duì)錐柱結(jié)合結(jié)構(gòu)、厚板削斜結(jié)構(gòu)和錐環(huán)柱結(jié)合殼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比。然后針對(duì)錐環(huán)柱結(jié)合殼結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)不同環(huán)殼半徑、不同環(huán)殼厚度和不同環(huán)殼半錐角的系列錐環(huán)柱結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算分析，得出錐環(huán)柱結(jié)構(gòu)力學(xué)性能與不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的曲線關(guān)系，為錐環(huán)柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 不同結(jié)構(gòu)形式對(duì)比分析

采用有限元方法，對(duì)錐柱結(jié)合結(jié)構(gòu)、厚板削斜結(jié)構(gòu)和錐環(huán)柱結(jié)合殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算見(jiàn)圖4。其中錐柱結(jié)合結(jié)構(gòu)柱殼板厚取為30 mm，錐殼板厚取34 mm；厚板削斜結(jié)構(gòu)厚板取42 mm；錐環(huán)柱環(huán)殼半徑取為2 500 mm，板厚取34 mm。

圖4 不同結(jié)構(gòu)形式計(jì)算模型

由于模型為軸對(duì)稱模型，采用軸對(duì)稱平面單元，選取耐壓船體縱向剖面進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于凸錐結(jié)構(gòu)，主要考核內(nèi)表面縱向應(yīng)力的水平，3種結(jié)構(gòu)形式的內(nèi)表面縱向應(yīng)力分布曲線見(jiàn)圖5，力學(xué)性能比較見(jiàn)表1。

圖5 不同結(jié)構(gòu)形式內(nèi)表面縱向應(yīng)力分布曲線

表1 不同結(jié)構(gòu)形式力學(xué)性能比較

從圖5和表1可以得出如下結(jié)論。

1)錐柱結(jié)合殼結(jié)構(gòu)在錐柱結(jié)合處存在很大應(yīng)力集中，內(nèi)表面最大縱向應(yīng)力達(dá)到-1 288 MPa，且位置與焊縫位置重合。

2)厚板削斜結(jié)構(gòu)一定程度地降低了錐柱結(jié)合部位的峰值應(yīng)力，但重量增加較多，且在斜錐和柱殼結(jié)合處仍然存在較高的內(nèi)表面縱向應(yīng)力，最大應(yīng)力達(dá)到-796 MPa，且位置與焊縫位置重合。

3)錐環(huán)柱結(jié)合殼結(jié)構(gòu)重量增加很少，環(huán)殼處的內(nèi)表面最大縱向應(yīng)力僅為-543 MPa，小于柱殼肋骨根部?jī)?nèi)表面縱向應(yīng)力-617 MPa，且與焊縫位置錯(cuò)開(kāi)。

通過(guò)上述對(duì)比分析可知，錐環(huán)柱結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能最佳，是一種優(yōu)越的結(jié)構(gòu)。

2 錐環(huán)柱結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響分析

錐環(huán)柱環(huán)殼的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括環(huán)殼半徑、環(huán)殼厚度和錐殼半錐角。下面通過(guò)系列參數(shù)模型的對(duì)比分析，得出環(huán)殼結(jié)構(gòu)參數(shù)與其力學(xué)性能的曲線關(guān)系。

2.1 環(huán)殼半徑

選取1 000、1 500、2 000、2 500以及3 000 mm 5種半徑的錐環(huán)柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能計(jì)算和比較。計(jì)算模型主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：柱殼殼板厚度為30 mm，環(huán)殼厚度為34 mm，錐殼殼板厚度為34 mm，錐殼半錐角為12°。

選取環(huán)殼段及其前部一檔錐殼和后部一檔柱殼作為研究對(duì)象，柱殼段坐標(biāo)區(qū)間為0～600 mm，環(huán)殼段區(qū)間為600～1 200 mm，錐殼段區(qū)間為1 200～1 700 mm(下同)。此處的坐標(biāo)區(qū)間與圖5、6、8和10中橫坐標(biāo)的位置相對(duì)應(yīng)。不同半徑的環(huán)殼力學(xué)性能比較見(jiàn)表2，環(huán)殼內(nèi)表面縱向應(yīng)力分布曲線見(jiàn)圖6，環(huán)殼內(nèi)表面縱向應(yīng)力隨環(huán)殼半徑變化關(guān)系見(jiàn)圖7。

表2 不同半徑的環(huán)殼力學(xué)性能比較

圖6 不同環(huán)殼半徑內(nèi)表面縱向應(yīng)力分布曲線

從表2、圖6和圖7可以得出如下結(jié)論。

1)相同環(huán)殼厚度時(shí)，不同半徑的環(huán)殼重量相差極小，基本可忽略不計(jì)。

圖7 環(huán)殼內(nèi)表面縱向應(yīng)力隨環(huán)殼半徑變化曲線

2)環(huán)殼半徑對(duì)環(huán)殼的力學(xué)性能影響較大，環(huán)殼內(nèi)表面縱向應(yīng)力隨著環(huán)殼半徑的增大而減少。當(dāng)環(huán)殼半徑為約2 000 mm時(shí)，環(huán)殼內(nèi)表面縱向應(yīng)力與柱殼肋骨根部?jī)?nèi)表面縱向應(yīng)力水平相當(dāng)。

3)環(huán)殼半徑小于一定值時(shí)，環(huán)殼外表面縱向應(yīng)力為拉應(yīng)力，隨著半徑增大，環(huán)殼外表面縱向應(yīng)力逐漸變?yōu)閴簯?yīng)力。

4)不同直徑的環(huán)殼周向應(yīng)力水平相當(dāng)，差別不大。

5)在上述半錐角下，當(dāng)環(huán)殼的半徑達(dá)到2 000 mm時(shí)，環(huán)殼內(nèi)表面縱向應(yīng)力水平與柱殼肋骨根部?jī)?nèi)表面縱向應(yīng)力水平相當(dāng)；環(huán)殼半徑超過(guò)R2 000 mm后，環(huán)殼內(nèi)表面縱向應(yīng)力進(jìn)一步降低，低于柱殼肋骨根部?jī)?nèi)表面縱向應(yīng)力水平。

2.2 環(huán)殼厚度影響分析

選取26,28,30,32,34,36,38和40 mm 8種不同環(huán)殼厚度的錐環(huán)柱結(jié)構(gòu)，進(jìn)行力學(xué)性能計(jì)算和比較。計(jì)算模型主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：柱殼殼板厚度為30 mm，環(huán)殼半徑2 500 mm，錐殼殼板厚度為34 mm，錐殼半錐角為12°。不同環(huán)殼厚度的環(huán)殼力學(xué)性能比較見(jiàn)表3，環(huán)殼內(nèi)表面縱向應(yīng)力分布曲線見(jiàn)圖8，環(huán)殼內(nèi)表面縱向應(yīng)力隨環(huán)殼厚度變化關(guān)系見(jiàn)圖9。

表3 不同厚度的環(huán)殼應(yīng)力比較 MPa

圖8 不同環(huán)殼厚度內(nèi)表面縱向應(yīng)力分布

圖9 環(huán)殼內(nèi)表面縱向應(yīng)力隨環(huán)殼厚度變化

從表3、圖8和圖9可以得出如下結(jié)論。

1)隨著環(huán)殼厚度的增加，環(huán)殼內(nèi)表面縱向應(yīng)力減少，應(yīng)力與厚度不是線性關(guān)系。當(dāng)環(huán)殼厚度為28 mm時(shí)，環(huán)殼內(nèi)表面縱向應(yīng)力與柱殼肋骨根部?jī)?nèi)表面縱向應(yīng)力水平相當(dāng)。

2)隨著環(huán)殼厚度的增加，環(huán)殼周向應(yīng)力減少，且整體應(yīng)力水平較低。

3)環(huán)殼厚度對(duì)環(huán)殼的力學(xué)性能有一定影響。對(duì)于本計(jì)算的環(huán)殼，環(huán)殼厚度低于34 mm時(shí)，影響較大；殼厚度大于34 mm后，影響較小。

2.3 半錐角影響分析

選取8°,10°,12°,14°和16°的5種不同半錐角的錐環(huán)柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能計(jì)算和比較。模型主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：柱殼殼板厚度為30 mm，環(huán)殼半徑為2 500 mm，環(huán)殼厚度為34 mm，錐殼殼板厚度為34 mm。不同半錐角的環(huán)殼力學(xué)性能比較見(jiàn)表4，環(huán)殼內(nèi)表面縱向應(yīng)力分布見(jiàn)圖10。

表4 不同半錐角的環(huán)殼力學(xué)性能比較 MPa

圖10 不同半錐角內(nèi)表面縱向應(yīng)力分布

從表4和圖11可以得出如下結(jié)論。

1)在相同的環(huán)殼半徑時(shí)，不同錐角之間的環(huán)殼內(nèi)表面縱向應(yīng)力在500～550 MPa之間變化；環(huán)殼外表面縱向應(yīng)力水平較低，差別不大；環(huán)殼周向應(yīng)力水平相當(dāng)，差別不大。

2)環(huán)殼半徑不變時(shí)，隨著半錐角增大，肋骨處的殼板內(nèi)表面縱向應(yīng)力增加。

3)半錐角對(duì)環(huán)殼的力學(xué)性能影響不大。

3 結(jié)論

1)相對(duì)于錐柱結(jié)合殼和厚板削斜結(jié)構(gòu)，錐環(huán)柱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了柱殼和錐殼的光順連接，消除了結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，大幅降低了縱向彎曲應(yīng)力峰值，應(yīng)力分布均勻，結(jié)構(gòu)重量小，且最大應(yīng)力部位避開(kāi)了焊縫，是一種優(yōu)良的連接結(jié)構(gòu)形式。

2)錐環(huán)柱結(jié)構(gòu)環(huán)殼半徑對(duì)其力學(xué)性能影響最大，其次是環(huán)殼厚度，最后是半錐角。

3)通過(guò)合理的錐環(huán)柱環(huán)殼參數(shù)設(shè)計(jì)，可使環(huán)殼內(nèi)表面縱向應(yīng)力與柱殼肋骨根部?jī)?nèi)表面縱向應(yīng)力水平相當(dāng)或更低，可以滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

[1] 蔣培林．潛艇錐柱結(jié)合殼加強(qiáng)形式研究[J]．艦船科學(xué)技術(shù)，1998(6)：8-13.

[2] 許 兵，蔣培林．錐柱結(jié)合殼加強(qiáng)形式應(yīng)用研究[J].船舶工程，2004，26(3)：16-20.

[3] 白雪飛，郭日修．潛艇耐壓艇體縱筋加強(qiáng)錐柱結(jié)構(gòu)殼力學(xué)行為的分析[J]. 船舶力學(xué)，2009，11(3)：516-520.[4] 戴自昶.縱筋加強(qiáng)的凸錐柱結(jié)合殼應(yīng)力狀態(tài)的有限元分析[J].計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)及其應(yīng)用，1981，8(3)：305-312.

[5] 郭日修，呂巖松，黃加強(qiáng),等．加肋錐環(huán)柱結(jié)合殼試驗(yàn)研究[J]．船舶力學(xué)，2008，12(2)：252-257.

[6] 呂巖松，郭日修．含凸、凹型加肋錐環(huán)柱結(jié)合殼的連接結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32(9)：1140-1143.

[7] 黃加強(qiáng)，郭日修．加肋錐環(huán)柱組合殼強(qiáng)度及穩(wěn)定性模型實(shí)驗(yàn)研究[J]．中國(guó)造船，1998，4：57-65.

A Structural Parametric Analysis on the Strength of the Cone-toroid-cylinder Combined Shell

XIAO Wen-yong, HUANG Ni

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

As a new-type structure connecting the cylinder shell and the cone shell, the cone-toroid-cylinder combination shell brings many advantages such as smooth connection between the cylinder shell and the cone shell, avoiding the structure discontinuity, reducing the maximum longitudinal bend stress, uniform stress distribution, small structure weight, and the maximum stress position avoiding the welding line. By calculation and comparative analysis of different structures, the cone-toroid-cylinder combination shell represents excellent mechanical performance. Different factors to affect the mechanical performance are analyzed, such as the radius and thickness of toroid, as well as the angle of the cone shell.

cone-toroid-cylinder combination shell；stress；structure parameter

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.005

2014-09-11

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

肖文勇(1979-)，男，碩士生，工程師

U661.43

A

1671-7953(2015)01-0019-05

修回日期：2014-10-11

研究方向:船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

E-mail:xiaowenyong1207@126.com