潛艇耐壓液艙的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

吳春芳，吳 梵

(1. 海軍工程大學(xué) 艦船工程系，湖北武漢 430033；2. 武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050)

0 引 言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著現(xiàn)代反潛技術(shù)的飛速發(fā)展，水下噸位較大的雙殼體潛艇結(jié)構(gòu)在水下的暴露率也大大增加，被偵測、跟蹤、甚至被反潛方不間斷連續(xù)攻擊的可能性也大大增加；加上現(xiàn)代魚雷采用的側(cè)瞄基陣能保證垂直命中艇體，連續(xù)的聚能戰(zhàn)斗部和高能量的爆破裝藥能保證擊破任何雙殼體潛艇。因此，在發(fā)現(xiàn)既能有效跟蹤，又能保證摧毀的新反潛作戰(zhàn)模式下，傳統(tǒng)雙殼體艇濕表面積大、快速性和隱蔽性差的弊端被放大，其作戰(zhàn)時(shí)的生存能力，正受到越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

在這種背景下，潛艇的生存能力已不能再用儲(chǔ)備浮力的大小來衡量，而應(yīng)以更好的隱蔽性，更低的暴露率來體現(xiàn)。單殼體潛艇由于下潛速度快、艇表開口少艇體光順度好、聲反射面積小隱蔽性好的特點(diǎn)，越來越受到各國的重視。法國和俄羅斯的常規(guī)潛艇從雙殼體轉(zhuǎn)向了單殼體結(jié)構(gòu)，日本也從雙殼體結(jié)構(gòu)走向了以單殼體為主的混合殼體形式。

傳統(tǒng)雙殼體潛艇的耐壓液艙主要布置在耐壓殼與非耐壓殼之間，屬于外置式耐壓液艙，單殼體潛艇的耐壓液艙只能布置在耐壓殼體內(nèi)部，屬于內(nèi)置式耐壓液艙。馬運(yùn)義[1]通過對(duì)國內(nèi)外的潛艇有關(guān)文獻(xiàn)資料進(jìn)行收集整理，從快速性、隱身性、安全性和建造等各方面系統(tǒng)地分析了單、雙殼體2種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點(diǎn)。我國潛艇長期采用外置式耐壓液艙，相關(guān)研究較多，已形成了一套較完整的強(qiáng)度與穩(wěn)定性計(jì)算方法；但對(duì)單殼體潛艇的內(nèi)置式耐壓液艙的結(jié)構(gòu)形式和力學(xué)特性缺乏研究，國內(nèi)沒有施工和使用經(jīng)驗(yàn)，沒有系統(tǒng)的計(jì)算方法。而國外由于保密的要求，這方面的報(bào)道也極少，且對(duì)于單殼體潛艇的內(nèi)置式耐壓液艙，目前沒有明確的結(jié)構(gòu)形式。本文旨在通過對(duì)當(dāng)前潛艇耐壓液艙研究現(xiàn)狀的分析，提出對(duì)內(nèi)置式耐壓液艙結(jié)構(gòu)形式研究具有借鑒及指導(dǎo)意義的途徑和方法。

1 外置式耐壓液艙研究現(xiàn)狀

在大深度潛水器中，以球形殼體為最佳結(jié)構(gòu)形式[2～4]。傳統(tǒng)的大中型外置式耐壓液艙，從結(jié)構(gòu)形式上來看主要有托板式和實(shí)肋板式2種（見圖1），托板式耐壓液艙結(jié)構(gòu)的建造困難主要是因?yàn)橥邪宓拈g斷性造成的，由于結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力沿圓周不均勻分布，沿圓周要求托板節(jié)點(diǎn)四點(diǎn)共圓同時(shí)增加了建造難度，所以現(xiàn)在較少采用。大型潛艇耐壓液艙主要采用實(shí)肋板式結(jié)構(gòu)，為了減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)，還可采用帶縱骨加強(qiáng)的實(shí)肋板式耐壓液艙結(jié)構(gòu)。因而對(duì)于外置式耐壓液艙的結(jié)構(gòu)形式，其研究內(nèi)容主要包括耐壓液艙殼板、耐壓液艙殼板上的縱骨、實(shí)肋板、耐壓液艙區(qū)域的耐壓船體、耐壓船體的縱骨和液艙端艙壁等的強(qiáng)度和穩(wěn)定性研究。

圖 1 耐壓液艙結(jié)構(gòu)簡圖Fig. 1 Pressure tank structure diagram

傳統(tǒng)的實(shí)肋板式耐壓液艙區(qū)耐壓船體殼板軸向應(yīng)力大，沿圓周方向應(yīng)力非軸對(duì)稱性明顯，在船體殼板、液艙殼板、實(shí)肋板三者匯交處耐壓船體殼板上存在著明顯的集中應(yīng)力缺陷，實(shí)肋板同心雙層圓柱殼[5]（圖1（c））和準(zhǔn)同心圓式耐壓液艙型式（圖1（d））解決了此問題，同時(shí)也能使耐壓船體殼板的軸向應(yīng)力明顯降低。

在進(jìn)行耐壓液艙區(qū)域的耐壓船體結(jié)構(gòu)的研究時(shí)，一些專家和學(xué)者針對(duì)傳統(tǒng)的計(jì)算方法中存在的問題提出了一些新的計(jì)算方法和意見。傳統(tǒng)的《潛艇強(qiáng)度》中推薦的方法，因其應(yīng)力模型與實(shí)際的受力情況不符，在經(jīng)過比較分析潛艇耐壓液艙結(jié)構(gòu)4種應(yīng)力近似解析法[6]后被證實(shí)已不適用進(jìn)一步深入的開展研究。

設(shè)置剛性隔壁或框架肋骨造成的殼體結(jié)構(gòu)剛性突變會(huì)使?jié)撏蛪簹ぐ瀹a(chǎn)生高縱向彎曲應(yīng)力，為減少此應(yīng)力的影響，需在隔壁周圍進(jìn)行加強(qiáng)，楊正忠等[7]從靜水外壓力作用下圓柱薄殼變形的微分方程式出發(fā)，用矩陣分析的方法計(jì)算了各不同加強(qiáng)形式下殼體在隔壁附近的應(yīng)力分布，給耐壓殼體附近的合理加強(qiáng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)并給出了一個(gè)可供設(shè)計(jì)使用的程序。目前，國內(nèi)對(duì)這方面的研究形成了較為系統(tǒng)的計(jì)算方法[8]。

對(duì)于潛艇耐壓液艙結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性研究，目前主要采用3種方法：理論計(jì)算法、數(shù)值仿真法和模型試驗(yàn)法。

1.1 外置式耐壓液艙理論計(jì)算法研究現(xiàn)狀

理論計(jì)算法主要基于彈塑性力學(xué)經(jīng)典理論和一系列重要假設(shè)，建立耐壓船體殼板、液艙殼板、實(shí)肋板等的微分方程進(jìn)行聯(lián)合求解，得到理論計(jì)算公式。國內(nèi)的一些專家、學(xué)者在實(shí)肋板耐壓液艙理論計(jì)算方面做了大量的研究，得到了一系列的研究成果。

在進(jìn)行耐壓船體結(jié)構(gòu)的研究時(shí)，胡剛義[9]應(yīng)用大曲率梁和彈性基礎(chǔ)梁理論建立了舷間耐壓液艙區(qū)域耐壓船體的微分方程，求解出了耐壓船體微分方程的撓度表達(dá)式，并得出耐壓船體的強(qiáng)度計(jì)算公式，建立了軸對(duì)稱假設(shè)下的力學(xué)模型，將數(shù)值計(jì)算與計(jì)算規(guī)則[10]中的結(jié)果相比較，得到一致的結(jié)論證明其計(jì)算公式的正確性。謝祚水等[6]對(duì)潛艇耐壓液艙結(jié)構(gòu)4種應(yīng)力近似解析法進(jìn)行比較分析，指出現(xiàn)在可見的應(yīng)力近似解析算法中的主要4種，即《潛艇強(qiáng)度》中推薦的方法已不適用，黃加強(qiáng)等[11]提出的帶縱骨實(shí)肋板式耐壓液艙殼板強(qiáng)度計(jì)算方法對(duì)邊界條件的處理采用了混合邊界條件，引入了比較復(fù)雜的應(yīng)力函數(shù), 其結(jié)果為隱式方程,求解過程十分繁瑣。

與以往不同的是，王曉天等[12]在文獻(xiàn)中指出將耐壓液艙視為等效環(huán)肋圓柱殼的傳統(tǒng)計(jì)算方法，忽略了由于曲率變化產(chǎn)生的周向彎曲應(yīng)力，使結(jié)果偏于危險(xiǎn)。因此，提出了將耐壓液艙近似看作為一扁度較小的橢圓柱殼進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)橢圓形耐壓指揮室的強(qiáng)度計(jì)算方法、相當(dāng)半徑方法和復(fù)變函數(shù)方法進(jìn)行比較，結(jié)果表明：對(duì)于相同的橢圓柱殼，采用橢圓形耐壓指揮室的強(qiáng)度計(jì)算方法更準(zhǔn)確；與環(huán)肋圓柱殼方法相比，采用橢圓形耐壓指揮室的強(qiáng)度計(jì)算方法得到的計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際情況。

把縱骨式實(shí)肋板耐壓液艙和對(duì)應(yīng)的耐壓船體看成一彈性體也是進(jìn)行耐壓液艙結(jié)構(gòu)研究的一種方法, 羅斌等[13]在求解實(shí)肋板傳遞系數(shù)的基礎(chǔ)上, 研究了液艙殼板的強(qiáng)度計(jì)算方法。處理時(shí)根據(jù)殼板尺寸和所受載荷情形確定了相應(yīng)的殼板邊界條件和計(jì)算公式, 公式中考慮了殼板膜應(yīng)力的影響。而在耐壓船體殼板和肋骨在加工、裝配和焊接等工藝過程中受各種因素的影響而產(chǎn)生的初撓度或初始缺陷，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和承載能力會(huì)產(chǎn)生影響，但在以往[14]的應(yīng)力分析中，沒有考慮膜應(yīng)力增加的影響，因此朱邦俊等[15]通過較精確的分析計(jì)算考慮初撓度影響的環(huán)肋圓柱殼，對(duì)耐壓船體殼和肋骨初撓度允許標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行討論。

這些結(jié)論的提出，對(duì)耐壓液艙區(qū)耐壓船體的應(yīng)力分布有了明確的認(rèn)識(shí)，同時(shí)還提供了進(jìn)行耐壓液艙結(jié)構(gòu)分析的更加準(zhǔn)確和便捷的理論計(jì)算方法和力學(xué)模型，為提高耐壓液艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的理論計(jì)算精度提供了依據(jù)。

同時(shí)，潛艇的穩(wěn)定性研究也很重要。在潛艇結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算中，文獻(xiàn)[16]提出不但要保證殼體中的應(yīng)力小于規(guī)定的許用應(yīng)力，還要保證殼體具有足夠的穩(wěn)定性，而且保證殼的穩(wěn)定性還更為重要，因此，在潛艇的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，進(jìn)行殼板的穩(wěn)定性研究較多。

通過探討潛艇縱骨式耐壓液艙的縱骨計(jì)算方法，文獻(xiàn)[17]從縱骨實(shí)際情況出發(fā)，按剛性固定在彈性基座上的彈性基礎(chǔ)梁計(jì)算縱骨進(jìn)行研究，這種計(jì)算方法比規(guī)范在進(jìn)行潛艇縱骨式耐壓液艙殼板的縱骨計(jì)算時(shí)，偏于從安全角度考慮，把縱骨簡化為兩端固支梁的計(jì)算結(jié)果更接近于實(shí)際情況。

黃加強(qiáng)等[18]假定在殼板的周向方向上，用實(shí)肋板進(jìn)行連接的耐壓液艙殼板和耐壓船體殼板形成的閉合同心圓，不考慮實(shí)肋板上的開孔是否會(huì)影響耐壓液艙的結(jié)構(gòu)變形，將帶縱骨實(shí)肋板式耐壓液艙和對(duì)應(yīng)的船體作為一個(gè)彈性整體，按具有初始膜應(yīng)力的混合邊界問題同時(shí)考慮殼板中膜應(yīng)力的影響及與耐壓船體相互作用的影響對(duì)耐壓液艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，得到了耐壓液艙殼板彈性及彈塑性應(yīng)力響應(yīng)的計(jì)算方法也是研究耐壓液艙殼板穩(wěn)定性的一種方法的結(jié)論。而對(duì)于無加強(qiáng)、縱骨加強(qiáng)、中間支骨加強(qiáng)3種液艙殼板的穩(wěn)定性在求解時(shí)，朱邦俊等[19]通過對(duì)耐壓液艙結(jié)構(gòu)整體求解得到液艙殼板屈曲前的初始膜力，代入由李茨法導(dǎo)出的液艙殼板穩(wěn)定性方程，求得不同加強(qiáng)形式液艙殼板失穩(wěn)理論臨界壓力，經(jīng)過修正得到失穩(wěn)實(shí)際臨界壓力。對(duì)于采用環(huán)肋加強(qiáng)來提高靜水外壓作用下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的耐壓圓柱殼，朱邦俊等[20]則采用半圓環(huán)殼型肋骨對(duì)耐壓圓柱殼進(jìn)行加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)形式，來使肋間殼板的穩(wěn)定性得到了較大幅度地提高，若要較大幅度地提高耐壓殼總體失穩(wěn)壓力，可以對(duì)半圓環(huán)殼半徑和厚度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以增加半圓環(huán)面內(nèi)慣性矩來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于采用了實(shí)肋板帶縱骨形式的潛艇耐壓液艙，為校核均勻外壓下液艙殼板的穩(wěn)定性，文獻(xiàn)[21–22]導(dǎo)出了考慮肋板與縱骨卸載后, 潛艇實(shí)肋板帶縱骨式耐壓液艙殼板實(shí)際臨界壓力計(jì)算公式及潛艇耐壓船體特大肋骨的相當(dāng)面積計(jì)算公式。

1.2 外置式耐壓液艙數(shù)值仿真法研究現(xiàn)狀

數(shù)值仿真法隨著計(jì)算機(jī)硬件水平的提高和數(shù)值計(jì)算方法的改進(jìn)而發(fā)展起來，是分析耐壓液艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的重要方法之一。它以通用有限元軟件為平臺(tái)，建立耐壓液艙整體有限元模型并對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算。有限元計(jì)算結(jié)果能清晰地反映結(jié)構(gòu)各部分的位移和應(yīng)力分布，便于獲得高應(yīng)力分布區(qū)域，有助于揭示復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性及各構(gòu)件之間的相互關(guān)系；還可以根據(jù)自己的需要變換結(jié)構(gòu)、材料等參數(shù)，為完善耐壓液艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定性計(jì)算方法、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及提出新型合理的耐壓液艙結(jié)構(gòu)形式提供理論依據(jù)。

通過采用數(shù)值仿真方法，可以對(duì)耐壓液艙的受力問題展開更加深入細(xì)致的研究。張偉等[23]采用Super-SAP有限元程序研究耐壓液艙單層殼跨數(shù)對(duì)雙層殼區(qū)域的應(yīng)力影響，計(jì)算了單層殼為1跨、3跨、4跨、6跨、8跨和10跨時(shí)耐壓液艙有關(guān)部位的應(yīng)力，從強(qiáng)度破壞原則來分析，找出耐壓液艙結(jié)構(gòu)的破壞應(yīng)該出現(xiàn)在耐壓液艙隔壁板附近的結(jié)論。孫倩等[24]以Matlab為平臺(tái)，對(duì)同心圓和準(zhǔn)同心圓式潛艇耐壓液艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并將Matlab計(jì)算結(jié)果與Ansys計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，指出了準(zhǔn)同心圓式耐壓液艙結(jié)構(gòu)值得推薦。黃鎮(zhèn)熙等[25]以Sysware為平臺(tái)，以滿足現(xiàn)行規(guī)范要求為條件，對(duì)實(shí)肋板帶液艙殼板縱骨的耐壓液艙進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)，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)；通過對(duì)具體算例進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算，找到了耐壓液艙優(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。另外還可以自編有限元程序[26–27]，建立耐壓液艙結(jié)構(gòu)有限元分析的力學(xué)模型，提高潛艇耐壓液艙結(jié)構(gòu)應(yīng)力解析公式的計(jì)算精度，尋求有利的耐壓液艙加強(qiáng)方法等。

在耐壓船體中，軸向應(yīng)力很大，局部應(yīng)力集中明顯。通過對(duì)耐壓液艙的應(yīng)力用有限元法進(jìn)行耐壓液艙應(yīng)力計(jì)算的可靠性[28–29]分析，李巍等進(jìn)一步說明了在潛艇耐壓液艙區(qū)域結(jié)構(gòu)的總穩(wěn)定不存在問題，用來保證應(yīng)力強(qiáng)度的耐壓船體殼板、加密縱骨的耐壓液艙殼板及密設(shè)加強(qiáng)筋的實(shí)肋板局部穩(wěn)定性也有保證，證明了耐壓液艙結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不是矛盾的主要方面，結(jié)構(gòu)的安全性主要受制于應(yīng)力強(qiáng)度。通過數(shù)值仿真方法，建立的多種力學(xué)模型可以簡化耐壓液艙結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，在不同的設(shè)計(jì)階段可以選用不同模型，如在初步設(shè)計(jì)階段可用簡單的中心對(duì)稱力學(xué)模型, 在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段應(yīng)用四跨左右的板殼單元力學(xué)模型來計(jì)算耐壓液艙結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力。從此可以看出，在耐壓液艙的應(yīng)力分析中，引入數(shù)值仿真方法，簡化了計(jì)算模型，更好適應(yīng)了不同設(shè)計(jì)階段的需要。

在耐壓船體特殊問題中各點(diǎn)應(yīng)力值的處理中，也可以采用有限元計(jì)算分析來進(jìn)行。如梁學(xué)先通過建立橢圓柱潛艇耐壓液艙殼試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠邢拊?jì)算模型[30–31]進(jìn)行計(jì)算，分析得出在錐柱過渡區(qū)采用圓弧式能較好地消除過渡段殼體與圓柱殼相切一端的集中應(yīng)力，但在非光滑端需在過渡段的左端加大板厚或增加扶強(qiáng)材以減少圓柱殼更大的集中應(yīng)力；如果采用雙圓滿弧式過渡則柱殼的應(yīng)力分布會(huì)較緩，但是由于雙圓弧式過渡式的加工工藝較復(fù)雜，所以采用這種圓滑過渡也是不易的。局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析，對(duì)于潛艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可能出現(xiàn)的應(yīng)力集中問題提出了改進(jìn)建議和改進(jìn)方法，對(duì)內(nèi)置式耐壓液艙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有著很好的參考價(jià)值。

1.3 外置式耐壓液艙模型試驗(yàn)法研究現(xiàn)狀

模型試驗(yàn)法是指通過設(shè)計(jì)加工耐壓液艙小尺度比例模型并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，從中獲取可靠數(shù)據(jù)，得到正確結(jié)論的方法。如謝祚水等[32]通過對(duì)比傳統(tǒng)式耐壓液艙和準(zhǔn)同心圓式耐壓液艙的模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)2種結(jié)構(gòu)形式具有幾乎相同的極限承載能力，但在彈性范圍內(nèi)準(zhǔn)同心圓式耐壓液艙結(jié)構(gòu)優(yōu)于傳統(tǒng)式耐壓液艙結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了準(zhǔn)同心圓式耐壓液艙結(jié)構(gòu)型式的合理性。黃加強(qiáng)等[21]通過進(jìn)行帶縱骨實(shí)肋板式耐壓液艙結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)，表明耐壓液艙殼板所承受的外壓很大部分通過實(shí)肋板以線集中載荷的形式傳遞給耐壓船體，因而使耐壓船體承受線集中力和軸向力的聯(lián)合作用，引起其軸向應(yīng)力急劇增大；當(dāng)外壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，相鄰實(shí)肋板跨中處將產(chǎn)生縱向折疊式破壞，提出了對(duì)帶縱骨實(shí)肋板耐壓液艙進(jìn)行深入研究的必要性。梁學(xué)先[33]對(duì)靜水壓力作用下環(huán)肋圓柱殼的肋骨扭轉(zhuǎn)進(jìn)行模型試驗(yàn)，證明了托板和肋骨扭轉(zhuǎn)對(duì)殼板的局部穩(wěn)定性影響很大，殼板抵抗局部失穩(wěn)的性能得到了增強(qiáng)。龔君來[33]通過對(duì)外置式耐壓液艙進(jìn)行的一系列模型試驗(yàn)，分析出了外置式耐壓液艙常出現(xiàn)的破壞形式及部位，并提出了相應(yīng)的加強(qiáng)方案，以期進(jìn)一步挖掘其承載能力，避免潛艇因下潛深度增加帶來的耐壓液艙結(jié)構(gòu)承載能力和結(jié)構(gòu)重量之間的矛盾。

現(xiàn)有的各種潛艇耐壓液艙的模型試驗(yàn)證明，模型試驗(yàn)法是最接近實(shí)際情況的方法，是驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性的有效途徑。

1.4 外置式耐壓液艙結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究

潛艇耐壓結(jié)構(gòu)在承受深水壓力的同時(shí)，還要保證艙室內(nèi)部人員的安全和各種設(shè)備的正常工作，其作為一個(gè)水密空間，還要提供必要的浮力，而其安全性也是完成水下作業(yè)的重要基礎(chǔ)。同時(shí)殼體重量、結(jié)構(gòu)尺寸要完成潛艇的水下作業(yè)，其運(yùn)行的平穩(wěn)性、速度又受到殼體重量、結(jié)構(gòu)尺寸的影響。所以，就潛艇而言，如何節(jié)省潛艇自重(即最小的結(jié)構(gòu)重量排水量比值)就是一項(xiàng)重要的內(nèi)容，從軍事上來說就是戰(zhàn)斗力和作戰(zhàn)半徑的問題。

潛艇耐壓結(jié)構(gòu)的優(yōu)化就是提高以上性能的基本方法，其最終目標(biāo)就是在主機(jī)相同的條件下阻力更小、航速更高，噪聲和振動(dòng)影響更小，增加潛艇的總體性能和有效負(fù)載能力等方面的要求。而在潛艇耐壓結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，最合理的設(shè)計(jì)狀態(tài)是，當(dāng)計(jì)算載荷等于殼板的Qcr時(shí)，殼板的最大中面應(yīng)力以及肋骨應(yīng)力都能達(dá)到或接近其[σ]。無論是從強(qiáng)度還是穩(wěn)定方面來說，就是要使?jié)撏У慕Y(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，進(jìn)行潛艇的優(yōu)化方法有很多，比如，文獻(xiàn)[34]中為能最大限度發(fā)揮最佳的結(jié)構(gòu)尺度和最優(yōu)的材料性能，以單目標(biāo)非線性約束優(yōu)化的目標(biāo)規(guī)劃為模型，尋求連續(xù)與離散混合變量的最優(yōu)解，得到了規(guī)格化設(shè)計(jì)變量關(guān)于滿應(yīng)力設(shè)計(jì)和耐壓船體較輕重量的相對(duì)有效解優(yōu)化方法。也有采用分枝定界法和序列二次規(guī)劃方法[35], 李學(xué)斌以殼板的厚度、肋骨的型號(hào)、間距等為設(shè)計(jì)變量, 研究下潛深度、材料幾何參數(shù)對(duì)重量以及其他特征量的影響，對(duì)載人潛水器圓柱形耐壓殼體的重量最小化進(jìn)行研究。分析表明，下潛深度與材料的屈服極限對(duì)重量的減輕有著明顯的作用。而對(duì)于大深度而言，屈服極限高的材料，其材料利用率也越高。

總的來說，在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮各種使用要求、肋骨參數(shù)、材料參數(shù)和封頭形式等因素，以重量最輕為優(yōu)化設(shè)計(jì)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)[36–39]，綜合以質(zhì)量經(jīng)濟(jì)性能、材料利用率、浮力因子等因素進(jìn)行，推導(dǎo)出潛水器耐壓殼的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。

2 內(nèi)置式耐壓液艙研究

單殼體潛艇主要采用內(nèi)置式耐壓液艙，從內(nèi)置式耐壓液艙的結(jié)構(gòu)形式來看，主要有內(nèi)置環(huán)形耐壓液艙和內(nèi)置平板式耐壓液艙，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖 2 內(nèi)置式耐壓液艙結(jié)構(gòu)簡圖Fig. 2 Structure of inner pressure tank

2.1 國內(nèi)單殼體潛艇的內(nèi)置式耐壓液艙研究現(xiàn)狀

由于我國長期以來一直使用雙殼體潛艇，對(duì)內(nèi)置式耐壓液艙的研究還處于初期階段，相關(guān)的研究資料和相應(yīng)的研究成果都比較少。從研究方法來看，目前沒有形成系統(tǒng)的理論計(jì)算方法，但是由于外置耐壓液艙的理論計(jì)算方法比較成熟，可以作為內(nèi)置耐壓液艙理論計(jì)算的參照；國內(nèi)暫時(shí)還沒有開展過內(nèi)置耐壓液艙的模型試驗(yàn)研究，但有學(xué)者采用數(shù)值仿真法對(duì)單殼體潛艇的沖擊響應(yīng)、球柱組合殼結(jié)構(gòu)連接處的邊緣效應(yīng)及內(nèi)置式調(diào)整水艙等問題進(jìn)行有限元計(jì)算。

文獻(xiàn)[40]參照蘇聯(lián)的“耐壓液艙強(qiáng)度和穩(wěn)定性的計(jì)算方法”，在滿足總體對(duì)內(nèi)置式調(diào)整水艙容積的要求下，設(shè)計(jì)了單殼體潛艇的內(nèi)置式調(diào)整水艙的新結(jié)構(gòu)形式，確定了主要參數(shù)，并在耐壓液艙承受與舷外水相等的壓力時(shí)，對(duì)內(nèi)置式調(diào)整水艙區(qū)域的耐壓船體、耐壓液艙殼板、實(shí)肋板等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元強(qiáng)度計(jì)算。為研究靜壓下內(nèi)置耐壓液艙結(jié)構(gòu)的力學(xué)規(guī)律，吳梵等[41]采用有限元方法對(duì)內(nèi)置式耐壓液艙及船體結(jié)構(gòu)在與外界是否連通2種不同工況下的耐壓殼變形和應(yīng)力狀況作了分析，得出液艙內(nèi)外連通時(shí)的工況更危險(xiǎn)、耐壓殼應(yīng)力水平更高的結(jié)論。

潛艇單雙殼體的沖擊響應(yīng)分析，對(duì)研究潛艇的單殼體內(nèi)置式耐壓液艙結(jié)構(gòu)研究有著重要意義。劉興永等[42]運(yùn)用均攤板厚的方法把雙殼體潛艇簡化成單殼體后進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)仿真，得到了雙殼體的加速度響應(yīng)值與沖擊譜值同單殼體相比有相當(dāng)程度的減小的結(jié)論。白旭等[43–45]運(yùn)用薄殼理論及變形協(xié)調(diào)條件，針對(duì)單殼體潛艇球柱組合殼結(jié)構(gòu)連接處的邊緣效應(yīng)問題開展的球柱組合殼結(jié)構(gòu)連接處的構(gòu)件邊界形式的研究，通過建立簡化邊界模型，驗(yàn)證了邊緣效應(yīng)的影響范圍是局部的，肋骨相對(duì)于球殼厚度對(duì)其影響更為顯著。而對(duì)于單殼體潛艇殼體發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷后會(huì)產(chǎn)生的屈曲變形，周素蓮等[46–48]用幾何缺陷薄壁圓柱殼的卡門-唐納爾非線性應(yīng)變位移關(guān)系式和變分法推導(dǎo)的具有初撓度的耐壓殼的平衡方程和相容方程，給出了耐壓殼的應(yīng)力函數(shù)表達(dá)式；分析出與完美單殼體不一樣，具有初撓度的耐壓殼載荷隨撓度幅值增加到局部極大值后，隨著撓度幅值的增大反而減小，表明耐壓殼的承載能力下降。

潛艇單殼體響應(yīng)、耐壓殼平衡方程的分析，以及內(nèi)置式耐壓液艙結(jié)構(gòu)的受力和變形特征的研究，為進(jìn)一步進(jìn)行內(nèi)置式耐壓液結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究起到了指導(dǎo)性作用。

2.2 國外單殼體潛水器研究狀態(tài)

據(jù)資料顯示，美國等西方國家的潛艇以單殼體結(jié)構(gòu)形式居多，而俄羅斯則是以雙殼體、大儲(chǔ)備浮力為其基本特征[49–50]。研究發(fā)現(xiàn)，美、英、法等國因搭載外部航行器或外置式武器的問題曾考慮過或正在考慮采用雙殼體作為解決問題的手段[51–52]。另外，德國在進(jìn)行212型和214型潛艇建造時(shí)，因?yàn)椴捎昧巳剂想姵谹IP系統(tǒng)，需要將儲(chǔ)氫容器在耐壓艇體外進(jìn)行布置，因此，該艇的外部包覆了輕外殼[53]。通過多年的發(fā)展，西方國家單殼潛水器的研究已較成熟。

3 耐壓液艙發(fā)展趨勢(shì)分析

外置式耐壓液艙已形成了一套較完整的強(qiáng)度與穩(wěn)定性計(jì)算方法。傳統(tǒng)的縱骨式結(jié)構(gòu)形式在強(qiáng)度和穩(wěn)定性方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，隨著下潛深度的進(jìn)一步增加，更高強(qiáng)度鋼的采用必將成為趨勢(shì)。

隨著系統(tǒng)功能可靠性提高，內(nèi)置式耐壓液艙將向小型化趨勢(shì)發(fā)展，液艙范圍顯著減小，能與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)充分融合，結(jié)構(gòu)形式也將呈現(xiàn)多樣化的趨勢(shì)。內(nèi)置式耐壓液艙理論計(jì)算方面的研究較少，因此，建立內(nèi)置式耐壓液艙的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算方法，為單殼體潛艇耐壓液艙的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)將是未來耐壓液艙的一個(gè)發(fā)展方向。

1）開展內(nèi)置式耐壓液艙結(jié)構(gòu)形式研究

對(duì)于單殼體潛艇的內(nèi)置式耐壓液艙，目前沒有明確的結(jié)構(gòu)形式，因此，可以通過數(shù)值仿真法對(duì)內(nèi)置式耐壓液艙基本結(jié)構(gòu)形式展開研究，以了解結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性以及結(jié)構(gòu)形式對(duì)力學(xué)特性的影響，進(jìn)而對(duì)內(nèi)置式液艙的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考，為提出新型合理的耐壓液艙結(jié)構(gòu)形式提供依據(jù)。

2）開展內(nèi)置式耐壓液艙模型試驗(yàn)研究

目前國內(nèi)尚未開展內(nèi)置式耐壓液艙模型的試驗(yàn)研究，但是當(dāng)理論研究到一定程度時(shí)，需要開展模型試驗(yàn)研究以驗(yàn)證理論研究成果。

4 結(jié) 語

隨著世界軍事格局的發(fā)展變化，海上軍事力量的要求日趨增加，潛艇技術(shù)的發(fā)展要求也日趨增高，從最初對(duì)先進(jìn)性能的追求，到當(dāng)今的安全性及隱蔽性的現(xiàn)實(shí)問題，對(duì)于潛艇的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)也有了新的要求。面對(duì)當(dāng)前內(nèi)置式耐壓液艙研究較少、設(shè)計(jì)方法較缺乏的問題，外置式耐壓液艙探索研究出的理論、數(shù)值計(jì)算方法及模型試驗(yàn)對(duì)于內(nèi)置式耐壓液艙來說是否可行，還需要進(jìn)一步進(jìn)行探討，以尋求合適的理論依據(jù)和試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵酝苿?dòng)內(nèi)置式耐壓液艙設(shè)計(jì)的開展。

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