大潛深平臺(tái)多耐壓體連接結(jié)構(gòu)接頭連接設(shè)計(jì)

杜一凡，郝 恒，李 凱

(中國船舶科學(xué)研究中心 深海載人裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214082)

0 引 言

隨著陸地上資源日益枯竭，人類逐漸把目光轉(zhuǎn)向海洋，然而海底世界環(huán)境惡劣，需要克服巨大的海水壓力，要開采海洋資源尤其是進(jìn)行深海開發(fā)就需要依靠深海潛水設(shè)備來完成。目前世界各主要國家均已大力發(fā)展深海載人平臺(tái)，深海載人平臺(tái)逐步向大型化、多功能化方向發(fā)展。新型深海載人平臺(tái)應(yīng)具有有效載荷大、海底停留時(shí)間長并能執(zhí)行多功能作業(yè)等特點(diǎn)，上述特性使得多體耐壓結(jié)構(gòu)形式成為一種趨勢(shì)。如美國弗吉尼亞理工大學(xué)提出的用于特種作戰(zhàn)的近海多用途潛艇（SSLW）[1]，荷蘭的非并列三耐壓殼潛艇方案[2]，和蘇聯(lián)的“臺(tái)風(fēng)”級(jí)（941 型）核潛艇[3]。

多體耐壓結(jié)構(gòu)與連接結(jié)構(gòu)一般通過焊接連接在一起，各耐壓體分為載人艙、動(dòng)力艙和設(shè)備艙等不同功能艙室，使得各耐壓體通常具有不同的結(jié)構(gòu)尺寸，在千米以上大潛深靜水壓力的作用下各耐壓體縱向收縮位移有明顯差異。各耐壓體不同的縱向位移導(dǎo)致連接結(jié)構(gòu)在其承載能力最弱的方向發(fā)生彎曲，使耐壓體與連接結(jié)構(gòu)焊接位置產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，容易使焊接微裂紋等缺陷發(fā)生低周疲勞，迅速擴(kuò)展為表面可見裂紋[4]，造成連接結(jié)構(gòu)疲勞破壞。同時(shí)，連接結(jié)構(gòu)變形會(huì)對(duì)連接在上面的設(shè)備造成不利影響。多殼體連接結(jié)構(gòu)屬于新型的結(jié)構(gòu)形式，相關(guān)文獻(xiàn)較少，文獻(xiàn)[5]采用規(guī)范和有限元方法，提出并排的三耐壓圓柱殼外部連接結(jié)構(gòu)方案，并對(duì)靜壓作用和坐墩工況進(jìn)行受力分析。文獻(xiàn)[6]指出在海水壓力作用下多體耐壓結(jié)構(gòu)與連接框架之間的變形協(xié)調(diào)問題變得突出，重點(diǎn)對(duì)靜水壓力下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核。暫未發(fā)現(xiàn)對(duì)連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行接頭連接設(shè)計(jì)從而改善變形不協(xié)調(diào)問題的相關(guān)研究。本文以某虛擬多耐壓體大潛深平臺(tái)連接結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)比分析焊接與接頭連接型式的優(yōu)缺點(diǎn)，提出連接結(jié)構(gòu)接頭連接設(shè)計(jì)方案，解決多耐壓體在深海靜水壓力下的縱向變形不協(xié)調(diào)問題，并通過計(jì)算工作深度耐壓體縱向收縮量，進(jìn)而提出一種位移補(bǔ)償接頭，提高大潛深平臺(tái)抵抗縱向沖擊的能力。這些工作可為多耐壓體深海平臺(tái)連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有益參考。

1 多耐壓體縱向變形不協(xié)調(diào)問題

本文的深海載人平臺(tái)耐壓結(jié)構(gòu)是三并排圓柱殼，中間是直徑為5.6 m 的大圓柱殼，左右兩側(cè)為2 個(gè)直徑為3.0 m 的小圓柱殼，3 個(gè)耐壓圓柱殼之間用4 個(gè)連接結(jié)構(gòu)焊接在一起。大圓柱殼厚度為35 mm，小圓柱殼厚度為30 mm，長度均為22 m。連接結(jié)構(gòu)厚度為30 mm。圓柱殼及連接結(jié)構(gòu)材料均為高強(qiáng)度鋼。耐壓殼體與連接結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖 1 大潛深平臺(tái)多耐壓體結(jié)構(gòu)及連接結(jié)構(gòu)Fig. 1 Deep-sea multi-pressure hull and connecting structure

本文的大潛深平臺(tái)工作深度為1 300 m，靜水壓力為12.74 MPa。現(xiàn)對(duì)以下3 種結(jié)構(gòu)組合型式進(jìn)行工作深度靜水壓力載荷分析。

1）在只有大圓柱殼和連接結(jié)構(gòu)的情況下，分析得到大圓柱殼縱向收縮量為31.9 mm，連接結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力為96.5 MPa。分析結(jié)果云圖如圖2 所示。

2）在只有2 個(gè)小圓柱殼和連接結(jié)構(gòu)的情況下，分析得到小圓柱殼的縱向收縮量為17.2 mm，連接結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力為62.7 MPa。分析結(jié)果云圖如圖3 所示。

3）在大、小圓柱殼和連接結(jié)構(gòu)組合狀態(tài)下，分析得到大圓柱殼收縮量為31.9 mm，小圓柱殼的縱向收縮量為17.9 mm，連接結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯彎曲變形，最大主應(yīng)力為231 MPa，產(chǎn)生在連接結(jié)構(gòu)與圓柱殼焊接部位。連接結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖如圖4 所示。

圖 2 大圓柱殼縱向位移與連接結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力Fig. 2 Axial displacement of the bigger pressure hull and maximum principle stress of connecting structure

圖 3 小圓柱殼縱向位移與連接結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力Fig. 3 Axial displacement of the smaller pressure hull and maximum principle stress of connecting structure

由以上分析結(jié)果可以看出，在1 300 m 深海靜水壓力作用下，大、小圓柱殼組合狀態(tài)相比單獨(dú)分析時(shí)的縱向位移幾乎沒有變化，表明連接結(jié)構(gòu)在縱向的承載能力較弱，不能有效的對(duì)耐壓體進(jìn)行縱向位移約束。大、小圓柱殼縱向位移不協(xié)調(diào)導(dǎo)致連接結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯彎曲變形，最大主應(yīng)力相比大、小圓柱殼單獨(dú)分析時(shí)增大139%。

圖 4 大、小圓柱殼組合狀態(tài)連接結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力Fig. 4 Maximum principle stress of connecting structure when the bigger and smaller hull are combined

將連接結(jié)構(gòu)從30 mm 增厚到45 mm，再次進(jìn)行靜水壓力下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，得到大圓柱殼收縮量仍為31.9 mm，小圓柱殼的縱向收縮量仍為17.9 mm，連接結(jié)構(gòu)同樣發(fā)生明顯彎曲變形，最大主應(yīng)力為212 MPa，產(chǎn)生在連接結(jié)構(gòu)與圓柱殼焊接部位。分析結(jié)果云圖如圖5 所示。

由以上分析看出，連接結(jié)構(gòu)厚度增大50%后，各耐壓體變形及連接結(jié)構(gòu)彎曲變形量幾乎沒有變化，連接結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力從231 MPa 減小為212 MPa，降低8%。因此可以認(rèn)為，通過增大連接結(jié)構(gòu)厚度不能有效地解決多耐壓體縱向變形不協(xié)調(diào)問題。

由于大潛深平臺(tái)焊接結(jié)構(gòu)存在低周疲勞問題[4]，且最大主應(yīng)力是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞失效的主要應(yīng)力因素[7-10]，所以最大主應(yīng)力增大會(huì)導(dǎo)致連接結(jié)構(gòu)與耐壓殼焊接部位及連接結(jié)構(gòu)自身發(fā)生低周疲勞失效的可能性大大增加，嚴(yán)重威脅大潛深平臺(tái)的結(jié)構(gòu)安全。另外，若多耐壓殼體的軸線不在同一平面內(nèi)、各耐壓殼長度各不相同時(shí)，縱向位移不協(xié)調(diào)還將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)平臺(tái)的彎曲或扭轉(zhuǎn)。

2 連接結(jié)構(gòu)增厚方案分析

3 多耐壓體連接結(jié)構(gòu)接頭連接設(shè)計(jì)

由上文分析可知，多耐壓體大潛深平臺(tái)在深海靜水壓力作用下各耐壓體縱向變形不協(xié)調(diào)會(huì)導(dǎo)致連接結(jié)構(gòu)彎曲變形和最大主應(yīng)力大幅增大，容易發(fā)生低周疲勞失效。由定性分析可知，通過增厚連接結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)可以減小連接結(jié)構(gòu)變形和降低最大主應(yīng)力。下面通過定量分析判斷連接結(jié)構(gòu)增厚方案是否有效。

3.1 連接結(jié)構(gòu)焊接與接頭連接優(yōu)缺點(diǎn)分析

當(dāng)連接結(jié)構(gòu)與耐壓殼體之間采用焊接連接時(shí)，各圓柱殼縱向位移差異將不可避免地造成連接結(jié)構(gòu)彎曲變形，影響結(jié)構(gòu)安全。除焊接連接方式外，接頭連接也是一種常用的連接方式。對(duì)多耐壓體連接結(jié)構(gòu)來說，采用焊接和接頭連接各有優(yōu)缺點(diǎn)。

連接結(jié)構(gòu)焊接的優(yōu)勢(shì)為焊接使連接部位具有良好的連接剛度、局部強(qiáng)度和整體性能。對(duì)于高強(qiáng)度鋼，由于焊接工藝已經(jīng)成熟，焊接后焊縫的強(qiáng)度不低于母材或與母材相當(dāng)，同時(shí)采用焊接無需在構(gòu)件上開孔，不會(huì)削弱構(gòu)件的局部強(qiáng)度，因而焊接具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、節(jié)省材料和便于制造等優(yōu)點(diǎn)[6]。但是采用焊接將會(huì)帶來變形不協(xié)調(diào)、焊接鋼結(jié)構(gòu)中將不可避免的存在殘余拉應(yīng)力[4]、一旦產(chǎn)生可見疲勞裂紋將快速擴(kuò)散導(dǎo)致連接部位或連接結(jié)構(gòu)破壞等問題，且焊接質(zhì)量很大程度上取決于工人的業(yè)務(wù)水平，質(zhì)量不好控制。

圖 5 連接結(jié)構(gòu)增厚方案縱向位移與連接結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力Fig. 5 Axial displacement of pressure hull and maximum principle stress of connecting structure with enlarged thickness of connecting structure

采用接頭連接相比焊接具有可拆卸的優(yōu)點(diǎn)，必要時(shí)可以將耐壓殼與連接結(jié)構(gòu)分離，同時(shí)，采用活動(dòng)接頭可以改善甚至避免多耐壓體變形不協(xié)調(diào)問題，此外，采用接頭連接風(fēng)險(xiǎn)較為分散，一個(gè)接頭失效一般不會(huì)導(dǎo)致其他接頭以及連接結(jié)構(gòu)失效。接頭連接操作簡(jiǎn)單，對(duì)工人要求比較低。但是采用接頭連接使耐壓體與連接結(jié)構(gòu)從整圈連接變?yōu)槎帱c(diǎn)連接，連接點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力會(huì)局部增大。

3.2 連接結(jié)構(gòu)接頭連接設(shè)計(jì)

根據(jù)焊接和接頭連接的優(yōu)缺點(diǎn)，并針對(duì)多耐壓體在深海靜水壓力作用下變形不協(xié)調(diào)更為明顯的問題，深海多耐壓體連接結(jié)構(gòu)采用接頭連接的方式與耐壓體相連，對(duì)連接部位結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加強(qiáng)。

進(jìn)行連接結(jié)構(gòu)接頭連接設(shè)計(jì)，可根據(jù)接頭實(shí)際受載情況將連接結(jié)構(gòu)與耐壓體每個(gè)連接面設(shè)置4 組或8 組接頭，接頭布置如圖6 所示。實(shí)線接頭為4 組接頭布置方案，實(shí)線加虛線接頭為8 組接頭布置方案。

圖 6 連接結(jié)構(gòu)接頭布置Fig. 6 Joint arrangement of connecting structure

每個(gè)耐壓體通過4 個(gè)連接面與連接結(jié)構(gòu)相連，要保持連接結(jié)構(gòu)與耐壓體之間的載荷傳遞，連接結(jié)構(gòu)至少應(yīng)有1 個(gè)連接面為固定接頭，同時(shí)為了保證多耐壓體之間的變形協(xié)調(diào)，則有且僅有1 個(gè)連接面為固定接頭，其余3 個(gè)連接面為活動(dòng)接頭。

固定接頭的形式如圖7 所示，每個(gè)連接面設(shè)置4 組耳片接頭，通過螺栓進(jìn)行連接，耳片基座安裝在連接結(jié)構(gòu)和耐壓體外肋骨上，固定接頭可以傳遞軸向力和徑向力，不允許耐壓體與連接結(jié)構(gòu)間產(chǎn)生相對(duì)位移。

活動(dòng)鉸接型式[11]如圖8 所示，每個(gè)連接面設(shè)置4 組接頭，共8 根連桿，連桿通過安裝在耐壓體和連接結(jié)構(gòu)上的耳片連接，可以實(shí)現(xiàn)耐壓體沿縱向在一定范圍內(nèi)的自由移動(dòng)，只能傳遞徑向力而不能傳遞軸向力。

固定接頭連接面可選4 個(gè)連接面中的任一個(gè)，本文選取最前端連接面為例進(jìn)行說明。連接結(jié)構(gòu)與耐壓體接頭連接方案如圖9 所示。

采用上述接頭連接形式的多耐壓體平臺(tái)在深海靜水壓力作用下可以實(shí)現(xiàn)耐壓體的縱向自由移動(dòng)，不會(huì)因多耐壓體縱向變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致連接結(jié)構(gòu)彎曲。

圖 7 耳片螺栓式固定接頭Fig. 7 Fixed joint with lug and bolt

圖 8 連桿式活動(dòng)接頭Fig. 8 Moving joint with connecting rod

圖 9 連接結(jié)構(gòu)與耐壓體接頭連接方案Fig. 9 Connecting scheme of connecting structure and pressure hull

對(duì)連接結(jié)構(gòu)接頭連接型式的多耐壓體大潛深平臺(tái)進(jìn)行靜水壓力載荷分析，得到連接結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力為136 MPa，比采用焊接方式減小95 MPa，降幅高達(dá)41.1%。連接結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖如圖10 所示。

圖 10 接頭連接形式的連接結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力Fig. 10 Maximum principle stress of connecting structure with joint connection

分析結(jié)果表明，連接結(jié)構(gòu)接頭連接設(shè)計(jì)可以有效解決多耐壓體縱向變形不協(xié)調(diào)問題，大幅降低連接結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力，延長連接結(jié)構(gòu)疲勞壽命。

4 位移補(bǔ)償接頭設(shè)計(jì)

進(jìn)行連接結(jié)構(gòu)接頭連接設(shè)計(jì)可以有效解決多耐壓體在靜水壓力下的縱向變形不協(xié)調(diào)帶來的問題，但深海載人平臺(tái)在工作時(shí)除了受到深水壓力的作用外，還可能會(huì)受到高達(dá)6～8 g 的縱向沖擊載荷作用，此時(shí)采用單連接面固定接頭設(shè)計(jì)會(huì)使單個(gè)固定接頭承受的載荷過大，此時(shí)除了增加該連接面固定接頭數(shù)量以外，本章在上文連接結(jié)構(gòu)接頭設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出一種位移補(bǔ)償接頭設(shè)計(jì)方案，使其在下潛過程中可以實(shí)現(xiàn)耐壓體縱向自由移動(dòng)，下潛到工作深度后活動(dòng)接頭轉(zhuǎn)變成固定接頭，與初始固定接頭共同承受縱向沖擊力。

保持前連接面和中連接面接頭形式不變，將后連接面設(shè)計(jì)成位移補(bǔ)償接頭，設(shè)計(jì)方案如圖11 和圖12所示，圖11 為水面狀態(tài)，圖12 為工作深度狀態(tài)。在水面狀態(tài)時(shí)，耐壓體與連接結(jié)構(gòu)為活動(dòng)連接，耐壓體可以沿縱向自由移動(dòng)，隨著下潛深度的增加，耐壓體逐漸收縮，當(dāng)下潛到工作深度時(shí)，后連接面活動(dòng)接頭與限位擋板接觸，限制該活動(dòng)接頭繼續(xù)移動(dòng)，起到固定接頭的作用，可以承受深海平臺(tái)向后的沖擊力。擋板與活動(dòng)接頭的距離應(yīng)根據(jù)耐壓體在工作深度靜水壓力作用下的收縮量確定。

圖 11 位移補(bǔ)償接頭方案水面狀態(tài)Fig. 11 Displacement-compensation joint on water surface

圖 12 位移補(bǔ)償接頭方案工作深度狀態(tài)Fig. 12 Displacement-compensation joint in operating depth

位移補(bǔ)償接頭具體形式如圖13 所示，內(nèi)件卡在外件的卡槽內(nèi)。根據(jù)耐壓體的收縮量，內(nèi)件可以在外件的卡槽中縱向移動(dòng)，確保在工作深度靜水壓力下變形收縮后與外件在縱向緊密接觸，起到固定接頭的作用。位移補(bǔ)償接頭與連接結(jié)構(gòu)和耐壓體通過螺栓連接。

位移補(bǔ)償接頭分開狀態(tài)如圖14 所示。

圖 13 位移補(bǔ)償接頭結(jié)構(gòu)形式Fig. 13 Structure form of displacement-compensation joint

圖 14 位移補(bǔ)償接頭分開狀態(tài)Fig. 14 Displacement-compensation joint in separate state

為使大潛深平臺(tái)能夠承受縱向向前、向后2 個(gè)方向的沖擊力，可將固定接頭連接面選在某一中間連接面上，前連接面與后連接面均布置位移補(bǔ)償接頭，前連接面位移補(bǔ)償接頭布置方向與后連接面相反，布置形式如圖15 所示。固定接頭與前連接面位移補(bǔ)償接頭共同承受縱向向前的沖擊載荷，與后連接面位移補(bǔ)償接頭共同承受縱向向后的沖擊載荷。

圖 15 前、后連接面動(dòng)態(tài)補(bǔ)償接頭設(shè)計(jì)Fig. 15 Displacement-compensation joint design of front and behind connecting surface

在實(shí)際使用時(shí)，可以設(shè)計(jì)制造1 組不同位移補(bǔ)償量的接頭，根據(jù)每次任務(wù)的工作深度選用位移補(bǔ)償量合適的接頭。

5 結(jié) 語

1）通過對(duì)多耐壓體大潛深平臺(tái)大圓柱殼、小圓柱殼以及組合狀態(tài)進(jìn)行靜水壓力有限元分析，發(fā)現(xiàn)在靜水壓力作用下，大、小圓柱殼縱向位移不協(xié)調(diào)導(dǎo)致連接結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲，連接結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力大幅增加，會(huì)加速耐壓體與連接結(jié)構(gòu)焊接部位及連接結(jié)構(gòu)自身發(fā)生疲勞破壞；

2）連接結(jié)構(gòu)厚度增大50%后再次進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)連接結(jié)構(gòu)彎曲變形量幾乎沒有變化，最大主應(yīng)力值降低8%，表明通過增大連接結(jié)構(gòu)厚度來加強(qiáng)連接結(jié)構(gòu)的方法不能有效解決多耐壓體變形不協(xié)調(diào)問題；

3）通過對(duì)比分析多耐壓體連接結(jié)構(gòu)采用焊接和接頭連接的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種前連接面為固定接頭、其余連接面為活動(dòng)接頭的連接結(jié)構(gòu)接頭連接方案，可以使耐壓體產(chǎn)生縱向位移時(shí)自由移動(dòng)，連接結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生彎曲，最大主應(yīng)力降低41.1%，表明該連接結(jié)構(gòu)接頭連接方案對(duì)解決多耐壓體變形不協(xié)調(diào)問題有效；

4）考慮到大潛深平臺(tái)在工作時(shí)會(huì)受到縱向沖擊載荷作用，提出一種位移補(bǔ)償接頭設(shè)計(jì)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)在活動(dòng)接頭和固定接頭之間的轉(zhuǎn)換，可以與固定接頭共同承受工作時(shí)的縱向沖擊載荷。