艦船集防區(qū)對(duì)外通道結(jié)構(gòu)變形及氣密性仿真分析

楊光，趙尚輝，李天勻，朱翔

1華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，湖北武漢430074

2船舶與海洋水動(dòng)力湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430074

3中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海200011

艦船集防區(qū)對(duì)外通道結(jié)構(gòu)變形及氣密性仿真分析

楊光1，2，趙尚輝3，李天勻1，2，朱翔1，2

1華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，湖北武漢430074

2船舶與海洋水動(dòng)力湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430074

3中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海200011

艦船集防區(qū)對(duì)外通道中，氣密門是氣密周界上主要的泄漏點(diǎn)之一。目前氣密性評(píng)估一般采用實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的方法。結(jié)合有限元仿真方法，在集體防護(hù)系統(tǒng)建造前對(duì)氣密門的氣密性進(jìn)行初步評(píng)估。采用設(shè)計(jì)波法結(jié)合國(guó)內(nèi)外軍民船規(guī)范，利用有限元軟件將長(zhǎng)期預(yù)報(bào)得到的設(shè)計(jì)波波浪動(dòng)水壓力值、重力、慣性力、靜水壓力等施加到全艦有限元模型上，全面反映真實(shí)受載下艦船在設(shè)計(jì)波下的響應(yīng)，進(jìn)而預(yù)報(bào)全艦變形情況。選擇變形較大的密封結(jié)構(gòu)，分析變形條件下密封結(jié)構(gòu)的密封性能。研究結(jié)果表明：借鑒全艦結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元直接計(jì)算方法，能有效分析對(duì)外通道的局部變形特征；氣密門處的局部變形將導(dǎo)致橡膠密封圈接觸壓力分布不均。結(jié)合局部變形的特點(diǎn)，可對(duì)密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

集體防護(hù)系統(tǒng)；變形；設(shè)計(jì)波；密封結(jié)構(gòu)；氣密性

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160921.1338.020.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：楊光，趙尚輝，李天勻，等.艦船集防區(qū)對(duì)外通道結(jié)構(gòu)變形及氣密性仿真分析［J］.中國(guó)艦船研究，2016，11（5）：71-77.

YANG Guang，ZHAO Shanghui，LI Tianyun，et al.Numerical simulation of the deformation and airtightness of the external passagewaystructureofnavalships'collectiveprotectionsystem［J］.ChineseJournalof ShipResearch，2016，11（5）：71-77.

0　引言

艦船集體防護(hù)（簡(jiǎn)稱“集防”）系統(tǒng)是艦船核生化防護(hù)能力最核心的組成部分。如果不具備有效的防護(hù)手段，在面臨核生化武器突襲的情況下，艦船會(huì)在短時(shí)間內(nèi)即喪失生存力和戰(zhàn)斗力［1］。目前，國(guó)外艦船裝備的集體防護(hù)系統(tǒng)主要分為兩大類：一類是德國(guó)的全船式集體防護(hù)系統(tǒng)，即DSK系統(tǒng)；另一類是美國(guó)的分區(qū)式集體防護(hù)系統(tǒng)，即CPS［2］。最早用于對(duì)抗核生化威脅的集體防護(hù)系統(tǒng)DSK由德國(guó)海軍于上世紀(jì)60年代中期研發(fā)設(shè)計(jì)成功，該防護(hù)系統(tǒng)將空氣凈化和空氣調(diào)節(jié)整合成一個(gè)單元系統(tǒng)［3］。在“漢堡”級(jí)驅(qū)逐艦上首次裝備的DSK防護(hù)系統(tǒng)是結(jié)合在全船加熱、通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)上的濾毒增壓通風(fēng)系統(tǒng)，具備數(shù)小時(shí)的核生化防護(hù)能力［4］。美國(guó)海軍于上世紀(jì)70年代中后期至80年代初期，在水面艦船上嘗試建立了有限集體防護(hù)系統(tǒng)［5］。此后，美國(guó)海軍第一艘具備全艦全時(shí)集體防護(hù)能力的主戰(zhàn)艦船DDG-51型導(dǎo)彈驅(qū)逐艦誕生，表明艦船集防系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展［6］。

我國(guó)軍事裝備集體防護(hù)的研究工作始于上世紀(jì)50年代，直到上世紀(jì)60～70年代集體防護(hù)裝備的國(guó)產(chǎn)化批量生產(chǎn)才得以實(shí)現(xiàn)，而這些裝備當(dāng)時(shí)也僅配備在主戰(zhàn)坦克和步兵戰(zhàn)車上。針對(duì)水面艦船集體防護(hù)系統(tǒng)的研究則相對(duì)起步較晚，直至21世紀(jì)初才在水面艦船成功配備了集體防護(hù)系統(tǒng)［7］。無論是小規(guī)模的個(gè)人防護(hù)，還是大規(guī)模的集體防護(hù)，其防護(hù)原理是一樣的，即與外部隔斷，依靠核生化防護(hù)過濾系統(tǒng)與外部通風(fēng)，因此，集體防護(hù)區(qū)中對(duì)外通道部分的氣密性至關(guān)重要［8-9］。

艦船在水面航行時(shí)，其結(jié)構(gòu)的變形是不可避免的。當(dāng)船體變形的量級(jí)與船用密封結(jié)構(gòu)的指標(biāo)精度相當(dāng)或超出時(shí)，可能會(huì)使得密封結(jié)構(gòu)無法正常使用。因此，抑制、降低船體變形對(duì)密封結(jié)構(gòu)的密封性能具有重要意義。本文的研究對(duì)象為有密性要求的艦船集防區(qū)對(duì)外通道，將主要分析其變形特征以及變形條件下的密封性能。

在對(duì)外通道中，氣密門是氣密周界上的主要泄漏點(diǎn)之一。目前氣密性評(píng)估一般采用實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的手段，可采用的常規(guī)氣密性檢測(cè)方法有涂抹煤油檢驗(yàn)法、粉檢驗(yàn)法、沖氣檢驗(yàn)法等。本文將結(jié)合有限元仿真方法對(duì)氣密門密封性能進(jìn)行初步評(píng)估，以便在其建造前對(duì)氣密性能進(jìn)行初步評(píng)估，為密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

由于艙段模型邊界條件對(duì)變形的影響較大［10］，且對(duì)外通道的密封結(jié)構(gòu)大量存在于上層建筑中，故本文將根據(jù)軍民船規(guī)范［11-12］，結(jié)合設(shè)計(jì)波法對(duì)全船有限元模型進(jìn)行變形計(jì)算，預(yù)報(bào)全船的總體變形和局部變形特征，彌補(bǔ)艙段模型的不足，最終提取出變形后的密封結(jié)構(gòu)以分析其密封性能。

1　全船有限元直接計(jì)算

1.1設(shè)計(jì)波法簡(jiǎn)介

設(shè)計(jì)波法是通過三維勢(shì)流理論求解頻率響應(yīng)函數(shù)，然后通過譜分析方法對(duì)艦船剖面的波浪載荷進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，根據(jù)艦船實(shí)際運(yùn)行地區(qū)的海況和艦船設(shè)計(jì)要求，利用長(zhǎng)期預(yù)報(bào)中得到的一定超越概率水平的波浪載荷（通常取概率水平為10-8），將其認(rèn)為是該艦船使用壽期內(nèi)所遇到的波浪載荷極值，然后選取一規(guī)則波，使其產(chǎn)生的載荷與長(zhǎng)期預(yù)報(bào)所得的相同。也即設(shè)計(jì)一個(gè)波浪，用來模擬艦船所遇到的最危險(xiǎn)海況，然后將艦船放置在該波浪下，觀測(cè)其響應(yīng)，以此來觀察艦船是否安全，是否能滿足規(guī)范要求。

上述頻率響應(yīng)函數(shù)，是指艦船在單位波幅的規(guī)則波中的響應(yīng)（如6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)、剪力、彎矩等），其相應(yīng)的波浪頻率曲線如圖1所示。從圖1中可以很清楚地得到艦船在何處載荷達(dá)到極值，因此便可以得知處于該位置時(shí)相應(yīng)的艦船狀態(tài)，這樣便可以知道一個(gè)規(guī)則波中的響應(yīng)極值。而通過對(duì)多個(gè)不同的規(guī)則波使用相同方法便最終能夠確定出艦船在規(guī)則波中運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的極值［13-14］。

圖1　頻率響應(yīng)函數(shù)圖Fig.1Frequency response function curve

設(shè)計(jì)波法的具體步驟可以歸納如下：

1）利用三維勢(shì)流理論對(duì)艦船進(jìn)行水動(dòng)力參數(shù)的分析，并計(jì)算艦船在各浪向角、各遭遇頻率的規(guī)則波中的響應(yīng)值，包括艦船6個(gè)自由度的位移值，船體所受的彎矩、剪力和扭矩等，還有波浪作用于艦船濕表面上的動(dòng)壓力分布等。

2）利用艦船在規(guī)則波中的響應(yīng)值，通過海浪譜資料，對(duì)波浪誘導(dǎo)船體載荷進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，從而確定出艦船在給定時(shí)間內(nèi)航行于實(shí)際海況中的波浪載荷的統(tǒng)計(jì)特性。在確定了艦船的運(yùn)行海域和使用壽期內(nèi)可能遭遇到的最大波浪載荷的概率水平（通常取10-8）后，便可得到波浪載荷的極值，也就是船舶在遭遇波浪數(shù)為N的使用壽期內(nèi)，平均可能出現(xiàn)一次的最危險(xiǎn)的海況所遭遇到的最大波浪載荷。找出與波浪載荷極值相對(duì)應(yīng)的規(guī)則波和波高，此即為設(shè)計(jì)波。

1.2船體載荷及邊界條件

靜水載荷：靜水載荷將作為全艦直接強(qiáng)度分析的一部分施加到船體梁上進(jìn)行分析，靜水載荷包括靜水壓力和重力兩部分：在MSC/PATRAN里根據(jù)工況通過定義一個(gè)與垂向坐標(biāo)z線性相關(guān)的域（field）函數(shù)，即可施加船體濕表面各點(diǎn)處的靜水壓力；重力則是根據(jù)空船重量、壓載水以及設(shè)備和甲板載荷的具體分配位置，改變相應(yīng)位置板的密度來模擬該處重力的變化。

波浪動(dòng)壓力計(jì)算與施加［15］：利用設(shè)計(jì)波法可得到船體濕表面動(dòng)水壓力，然而計(jì)算船體濕表面的動(dòng)水壓力值的網(wǎng)格和船體有限元外殼模型網(wǎng)格不匹配，計(jì)算水動(dòng)壓力的濕表面網(wǎng)格一般較粗，而有限元網(wǎng)格尺寸則相對(duì)小得多，因此需編制PATRAN內(nèi)部的PCL程序?qū)崿F(xiàn)加載，即PCL加載程序。該程序的編制流程如下：

1）讀取各濕表面網(wǎng)格中心點(diǎn)的三坐標(biāo)值和水動(dòng)力壓力值。

2）找出與有限元模型表面任意點(diǎn)最近的濕表面網(wǎng)格中心點(diǎn)，則作用在該船體外表面有限元板網(wǎng)格的法向動(dòng)壓力為pk。

3）賦值，實(shí)現(xiàn)加載。

利用該P(yáng)CL程序定義域（field），可實(shí)現(xiàn)板殼網(wǎng)格表面壓力的加載。圖2所示為船體濕表面在極限波中的水動(dòng)力壓力分布示意圖。

圖2　船體濕表面的水動(dòng)力壓力分布（軸側(cè)圖）Fig.2Hydrodynamic pressure distribution on wet surface of ship hull（isometric view）

本文中船體邊界條件采用NASTRAN中的慣性釋放功能。

1.3結(jié)果分析

此艦船主船體結(jié)構(gòu)均采用AH36鋼，屈服應(yīng)力為355 MPa；上層建筑采用普通鋼，屈服應(yīng)力為235 MPa。鋼材的楊氏模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3。有限元模型采用板（Shell）單元模擬構(gòu)件中的板殼結(jié)構(gòu)，如甲板、外板、縱桁等以及各種構(gòu)件之間的連接肘板。采用梁（Beam）單元模擬各種構(gòu)件上承受側(cè)向壓力的縱骨、扶強(qiáng)材等，并按照實(shí)際情況考慮梁的截面和偏心。主要構(gòu)件的面板和加強(qiáng)筋用桿單元模擬，如非水密的縱桁、肋板、平面艙壁析材上的面板和加強(qiáng)筋等。全艦有限元模型網(wǎng)格尺寸最大為700 mm，節(jié)點(diǎn)數(shù)為239 894，單元數(shù)為442 457。

對(duì)要求的不同工況分別進(jìn)行分析，應(yīng)力和變形的計(jì)算結(jié)果可在PATRAN后處理模塊實(shí)現(xiàn)顯示。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，分析集防區(qū)對(duì)外通道的應(yīng)力、變形特征，包括通道結(jié)構(gòu)的變形和密封構(gòu)件（門、窗等）處開口的變形特征。整船的應(yīng)力云圖和變形示意圖如圖3所示。

圖3　全艦應(yīng)力變形云圖Fig.3The contours of stress and deformation of a whole ship

2　氣密門密封性能評(píng)估

氣密門的性能評(píng)估存在非線性材料和接觸的問題，對(duì)網(wǎng)格的要求也與整船模型不同，故不宜在整船模型中建立氣密門模型進(jìn)行計(jì)算。由于氣密門對(duì)門框附近的結(jié)構(gòu)剛度影響不大，故在整船有限元模型中，氣密門處用開口處理并建立門框，變形相對(duì)實(shí)際情況偏危險(xiǎn)。

在密封條與門框的接觸分析中，由于密封條在接觸過程中變形很大，可用變形接觸體描述，而門框是由鋼板焊接而成的，在接觸過程中變形很小，可以忽略，可用剛體描述。在密封條與門框的接觸中，密封條變形的力與位移通過與之相接觸的門框的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生［16-18］。變形后的門框從全艦結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算結(jié)果中提取。

2.1門框的變形

由于要考慮變形對(duì)密封性能的影響，將從全艦結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算結(jié)果中提取出變形后的門框，相當(dāng)于利用變形結(jié)果預(yù)制變形門框，進(jìn)行氣密性評(píng)估。選取全艦應(yīng)力變形最大的艙壁為研究對(duì)象，目標(biāo)艦中該艙壁為主甲板上的上層建筑后端壁，由于該處應(yīng)力集中、變形較大，同時(shí)為了避免接觸分析中相鄰面元間出現(xiàn)大的轉(zhuǎn)角，需要在全艦?zāi)Ｐ椭袑?duì)該處的艙壁網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。細(xì)化后的有限元模型如圖4所示。

圖4　門框處有限元模型（局部）Fig.4Finite element model of the doorframe（partial）

在PATRAN中利用變形的結(jié)果建立位移場(chǎng)，通過位移場(chǎng)將所有節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到變形后的位置，然后使用“Create surface from shell elements”功能將變形后的門框作有限元模型生成幾何模型導(dǎo)出備用。

由于在與橡膠密封圈的接觸分析中，門框僅接觸的一側(cè)參與計(jì)算，故僅采用該側(cè)門框進(jìn)行后續(xù)接觸分析。門框幾何模型如圖5所示。

圖5　變形門框幾何模型Fig.53D model of the deformed doorframe

由于目前沒有相應(yīng)的變形衡準(zhǔn)，且有限元軟件中得到的變形為總體變形。故采取以門框左下角節(jié)點(diǎn)3為參考點(diǎn)，選擇門框邊緣節(jié)點(diǎn)相對(duì)參考點(diǎn)的位移來反映門框處的相對(duì)變形情況。部分節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位移如表1所示。x方向?yàn)榇w縱向，y方向?yàn)榇w橫向，z方向?yàn)榇w垂向。

表1　門框節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位移Tab.1Relative displacement of doorframe at different nodes

可以看出門框邊界的相對(duì)變形主要集中在x方向，z方向次之，y方向最小，這與整船變形主要由總縱彎曲引起的原因相符。由于x方向是氣密門開閉的方向，也是氣密橡膠密封圈主要的壓縮方向，因而對(duì)氣密性影響較大。

2.2橡膠Mooney-Rivlin模型

由于橡膠材料的體積彈性模量非常高，因此可假定橡膠材料具有不可壓縮性，而且在未應(yīng)變狀態(tài)下是各向同性的。本文采用應(yīng)用廣泛的2參數(shù)橡膠Mooney-Rivlin本構(gòu)方程模擬橡膠材料，其應(yīng)變函數(shù)如下式所示：

式中：W為修正的應(yīng)變勢(shì)能；C01，C10為材料常數(shù)；I1，I2為應(yīng)力張量的第1、第2不變量。

在不進(jìn)行復(fù)雜的材料實(shí)驗(yàn)測(cè)試情況下，可通過經(jīng)驗(yàn)公式求得Mooney-Rivlin模型材料常數(shù)。由于橡膠的靜剪切模量是橡膠元件設(shè)計(jì)中最基本的參數(shù)之一，其與橡膠硬度及成分有關(guān)（其中最主要的決定因素是橡膠硬度）。對(duì)于硬度相同成分不同的橡膠材料，其值之差不超過10%。因此，可以根據(jù)橡膠硬度，并利用經(jīng)驗(yàn)公式確定Mooney-Rivlin模型的材料常數(shù)［19］。

測(cè)得橡膠材料的邵氏硬度HA，代入下式：

在小變形的情況下，根據(jù)橡膠材料的不可壓縮性，泊松比μ=0.5。橡膠材料的剪切模量和楊氏模量與Mooney-Rivlin模型常數(shù)有如下關(guān)系：

根據(jù)法國(guó)PAULSTRA公司給出的不同橡膠硬度下支座的載荷—變形曲線進(jìn)行有限元建模，并與實(shí)測(cè)值對(duì)比，以確定不同硬度下材料常數(shù)的最佳取值。3種橡膠硬度C01/C10值如表2所示。對(duì)3個(gè)C01/C10值分段進(jìn)行線性擬合，可以得到各硬度下C01/C10值。

表2　不同硬度下橡膠材料C01/C10的值Tab.2TheC01/C10of rubber materials with different hardness

由式（2）、式（3）和表2計(jì)算得到不同橡膠硬度下Mooney-Rivlin模型的材料常數(shù)C01和C10如表3所示。

表3　不同硬度下橡膠材料Mooney-Rivlin常數(shù)Tab.3The Mooney-Rivlin constant of rubber materials with different hardness

2.3接觸分析

影響橡膠密封性能的因素很多，判別密封性能的參數(shù)也有很多選擇，如：壓縮量、接觸面積、接觸壓力等。本文以密封圈與門框的接觸壓力為判別準(zhǔn)則，當(dāng)接觸壓力小于安全值時(shí)認(rèn)為密封失效。由于本艦氣密門位于鎖氣室，而為了防止外側(cè)空氣進(jìn)入鎖氣室，鎖氣室內(nèi)設(shè)有氣閘保證內(nèi)外存在壓差，一般壓差取P=250 Pa。若σn為接觸應(yīng)力，則認(rèn)為當(dāng)σn＜P時(shí)，密封失效。

本算例中，門框模型為變形的Shell單元生成的幾何模型，密封圈使用簡(jiǎn)單的O形密封圈，直徑D=30 mm，采用實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，共得到約96 000個(gè)單元。由于橡膠接觸問題，變形較大，對(duì)單元質(zhì)量要求較高，模型中所有單元均為六面體單元。

橡膠材料為丁腈橡膠（NBR），采用Mooney-Rivlin兩參數(shù)模型模擬，由提供的橡膠硬度HA=43插值得到模型材料常數(shù)，由表3可知：C10=0.289，C01=0.028。忽略門框與密封圈之間的摩擦。接觸分析有限元模型如圖6所示。

圖6　三維接觸分析有限元模型Fig.63D finite element model for contact analysis

在接觸分析中，O形密封圈作為變形體，密封圈與門相連處暫以固支處理，門框作為剛體向密封圈移動(dòng)，壓縮量取10 mm進(jìn)行接觸分析。計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7　密封圈接觸壓應(yīng)力云圖Fig.7The contours of contact stress distribution on seal ring

沿順時(shí)針選取橡膠密封圈與門框接觸一側(cè)的最外層節(jié)點(diǎn)。由于該處節(jié)點(diǎn)最先與門框接觸，接觸應(yīng)力最大，能體現(xiàn)該橫截面處的最大接觸應(yīng)力。由PATRAN后處理導(dǎo)出沿該路徑的接觸應(yīng)力分布曲線，如圖8（a）所示。圖8（b）為使用未變形門框的計(jì)算結(jié)果。

在圖8（a）所有節(jié)點(diǎn)中選取接觸應(yīng)力最小的節(jié)點(diǎn)node 79370，接觸應(yīng)力σmin=23.01 MPa，因此任意截面都滿足σn≥P，認(rèn)為密封性能良好。

由圖8（a）與圖8（b）對(duì)比可以看出，由于門框的變形，接觸壓力波動(dòng)較大，這可能會(huì)引起2種危險(xiǎn)結(jié)果：1）當(dāng)壓縮量較小時(shí)，有部分區(qū)域接觸壓力小于安全值，引起泄露；2）當(dāng)壓縮量過大時(shí)，部分橡膠材料應(yīng)力超過屈服極限，容易出現(xiàn)裂紋，造成壽命降低，甚至有斷裂的危險(xiǎn)。

圖8　接觸壓應(yīng)力分布曲線Fig.8Contact stress distribution curves

3　優(yōu)化措施

對(duì)于上述情況可采取2種思路防止危險(xiǎn)的發(fā)生：一是從優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上考慮，減小門框變形；二是從橡膠密封圈上考慮。優(yōu)化措施如下：

1）增加艙壁板厚，或在該處圍壁與上、下甲板間增設(shè)肘板等結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案，改善該處由于總縱彎曲產(chǎn)生的沿船長(zhǎng)方向的相對(duì)變形。

2）在該處縱橫艙壁交界處設(shè)計(jì)一些彈性連接，減小門框結(jié)構(gòu)參與總縱彎曲的程度，從而減小門框處的相對(duì)變形。

3）改變橡膠密封圈與門框的接觸方式，避免沿船長(zhǎng)方向的相對(duì)變形對(duì)密封性能的影響，如采用橡膠密封圈與門框內(nèi)側(cè)壁接觸。

對(duì)于其他工況、不同位置的氣密門，可以采用類似的方法進(jìn)行分析，選取最不利工況，結(jié)合各自變形的特點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4　結(jié)語

本文開展了評(píng)估艦船集防區(qū)對(duì)外通道結(jié)構(gòu)變形及其密封結(jié)構(gòu)氣密性的方法研究。借鑒整船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元直接計(jì)算，結(jié)合設(shè)計(jì)波法，預(yù)報(bào)全船總體變形和局部變形，提取變形后的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真，分析其密封性。在建造前對(duì)氣密門的氣密性進(jìn)行仿真分析，可以為密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

針對(duì)集防區(qū)對(duì)外通道中門框變形的特點(diǎn)，提出了合理的密封改善措施。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，認(rèn)為應(yīng)在保證密封性能的前提下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，減小結(jié)構(gòu)變形，從而提高對(duì)外通道密封設(shè)計(jì)的可靠性。在改變結(jié)構(gòu)、調(diào)整局部剛度的同時(shí)，還需要兼顧結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的變化，以及結(jié)構(gòu)重量的因素，進(jìn)行多方面綜合考慮，最終得到合理的優(yōu)化方案。

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Numerical simulation of the deformation and airtightness of the external passageway structure of naval ships'collective protection system

YANG Guang1，2，ZHAO Shanghui3，LI Tianyun1，2，ZHU Xiang1，2
1 School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China
2 Hubei Key Laboratory of Naval Architecture and Ocean Engineering Hydrodynamics，Wuhan 430074，China
3 Marine Design and Research Institute of China，Shanghai 200011，China

In this paper，an evaluation method for the deformation and airtightness of the external passageway of a ship collective protection system is presented，where the seal structure like doors and windows is selected as the research object.Firstly，long-term prediction of ship's cross-sectional wave-included loads is conducted based on spectral analysis.Next，the parameters of designed waves are determined，and with FEM software MSC/PATRAN，a FEM model of the ship is established.The designed wave pressure is automatically applied to the ship's wet surface elements through PCL language.After obtaining the result of the deformation of the external passageway，a FEM model of sealed structures is built，where the 3D model of deformed doorframe are calculated based on the result of the general ship FEM model.Finally，contact analysis is conducted between sealing strip and the doorframe，and the result under normal contact stress is compared with the given value to evaluate the airtightness of the sealed structure.It can be concluded that the proposed method serves as a good reference to the ship design that has similar requirements.

collective protection system；deformation；design wave approach；sealed structure；airtightness

U667.3

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.011

2015-10-29網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-9-21 13:38

楊光，男，1990年生，碩士生。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)。E-mail：yang1990824@163.com

李天勻（通信作者），男，1969年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：結(jié)構(gòu)振動(dòng)與噪聲控制。E-mail：ltyz801@mail.hust.edu.cn