水下航行器圓柱形耐壓艙體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算

劉 瑩，白亞東

（1.海軍裝備部；2.山西汾西重工有限責(zé)任公司，山西 太原 030027）

0 引言

當(dāng)前世界各國越來越重視對(duì)海洋的研究和開發(fā)，這必然推動(dòng)了有關(guān)AUV、RUV、UUV 等各類水下產(chǎn)品地迅速發(fā)展。我國“十四五”規(guī)劃中，針對(duì)海洋的研究和開發(fā)已成為前沿技術(shù)研發(fā)布局的重點(diǎn)。經(jīng)過這些年來的快速發(fā)展，各種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)、下潛深度的航行器層出不窮。

航行器作為海洋作業(yè)的重要技術(shù)裝備，是探查、開發(fā)和利用海洋的重要一環(huán)。各航行器在水下環(huán)境中工作時(shí)，承受非常大的水下靜壓力，這就決定了圓柱形耐壓殼體是水下航行器耐壓結(jié)構(gòu)的重要基本形式之一。這樣的承壓狀態(tài)，就要求航行器耐壓殼體具有足夠的強(qiáng)度和剛性，還應(yīng)具有可靠的密封性，以便能夠?yàn)楹叫衅鲀?nèi)部儀器、儀表燈設(shè)備提供正常運(yùn)作的環(huán)境，從而確保其艙內(nèi)設(shè)備的安全性，這就更加凸顯出耐壓殼體結(jié)構(gòu)本身的安全性和可靠性。

作為航行器的核心部件，航行器的浮力主要是由耐壓艙體提供的，耐壓艙體的重量一般占其總重的1/4～1/2。而耐壓艙體重量與排水量比值是航行器能否提供較大有效載荷的主要因素，該比值是由其自身的屬性決定的，包括其材料的選擇和強(qiáng)度與穩(wěn)定性的大小。因而確保水下航行器耐壓艙體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性是航行器耐壓艙體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，同時(shí)也是航行器設(shè)計(jì)和制造中需要重點(diǎn)關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)。

一般來說，當(dāng)航行器耐壓艙體的外壓力增大到某一臨界值時(shí)，其耐壓殼體喪失穩(wěn)定性，這時(shí)的外界載荷壓力就稱為破壞壓力，即失穩(wěn)壓力。在現(xiàn)代水下航行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在保證航行器耐壓艙體的應(yīng)力小于規(guī)定許用應(yīng)力的同時(shí)，也得保證航行器耐壓艙體具有足夠的穩(wěn)定性。需要特別指出的是，比較兩者的重要性，其中保證航行器耐壓艙體的穩(wěn)定性更為重要。

從艙體材料的角度而言，5A06、6061、7075 等各類鋁合金和TC4、TA2 等各類鈦合金以其耐蝕、輕質(zhì)、無磁和較高強(qiáng)度等優(yōu)良的性能常常作為優(yōu)選材料。

為保證航行器在水下服役的安全性，耐壓艙體作為AUV、RUV、UUV 等水下航行器重要組成部分，必須考慮到其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與失效之間的相關(guān)性，制定出相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算規(guī)范，從而不斷提高航行器耐壓圓柱殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算水平。本文針對(duì)材料為鋁合金、鈦合金的水下耐壓圓柱形艙體結(jié)構(gòu)性能分析研究，對(duì)其穩(wěn)定性計(jì)算進(jìn)行相關(guān)探討。

1 艙體的穩(wěn)定性

1.1 艙體的失穩(wěn)

一般來說，圓柱形艙體在均勻外壓作用下，因艙體結(jié)構(gòu)和載荷均對(duì)稱于艙體的中心軸線，故而艙體的變形亦對(duì)稱于中心軸線，即在軸向（或縱向）產(chǎn)生均勻外壓縮和由肋骨支撐而引起的彎曲兩種情況，在周向表現(xiàn)為只產(chǎn)生均勻壓縮而沒有彎曲變形。相比較受內(nèi)壓的艙體，受外壓的艙體除考慮其強(qiáng)度外，還必須考慮到由于喪失穩(wěn)定性而導(dǎo)致艙體的破壞。

如此一來，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算過程中，除了要保證艙體中應(yīng)力小于規(guī)定的許用應(yīng)力值之外，必須優(yōu)先保證艙體具有足夠的穩(wěn)定性。一般的做法是在耐壓圓柱形艙體內(nèi)設(shè)置一系列環(huán)形加強(qiáng)肋骨，甚至有時(shí)還設(shè)置中間支骨或特大肋骨，其目的均是為了提高圓柱形艙體的穩(wěn)定性。尤其是對(duì)于薄壁圓柱形艙體，周向失穩(wěn)總是發(fā)生在強(qiáng)度失效之前，所以其穩(wěn)定性計(jì)算是設(shè)計(jì)和計(jì)算過程中需要考慮的首要、必要問題。

1.2 失穩(wěn)形式

在均勻外壓力作用下，圓柱性艙體失穩(wěn)的形狀有多種可能，具體取決于其結(jié)構(gòu)、形式和尺寸。主要有艙體總體失穩(wěn)、肋間殼板局部失穩(wěn)和中間支骨失穩(wěn)三種形式。

1.2.1 總體失穩(wěn)

若肋骨剛度小于其臨界剛度，此時(shí)當(dāng)外壓力超過其臨界壓力時(shí)，則肋骨會(huì)連同圓柱殼體、中間支骨等一起在艙段內(nèi)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，即發(fā)生總體失穩(wěn)。這時(shí)，僅艙段的兩端法蘭（或特大肋骨）保持正圓形不變，構(gòu)成艙體的剛性支撐周界。整個(gè)艙體在母線方向上只形成1 個(gè)半波，而在艙體的橫剖面整圓周上形成2 個(gè)、3 個(gè)或4 個(gè)整波。

1.2.2 肋間殼板局部失穩(wěn)

若肋骨及中間支骨的剛度足夠大，超過其臨界剛度時(shí)，在外壓力均勻逐漸增大的過程中，會(huì)先出現(xiàn)肋間殼板局部失穩(wěn)形式。此時(shí)的狀態(tài)是，各環(huán)向肋骨（中間支骨）均保持自身的正圓不變，成為艙體殼板的剛性支撐周界，則艙體殼板在肋骨（或與中間支骨）之間形成1 個(gè)半波。在若干間距內(nèi)會(huì)形成若干連續(xù)的凹凸交替半波，在橫剖面的圓周上會(huì)形成許多凹凸交替半波。

1.2.3 中間支骨失穩(wěn)

若肋骨剛度超過其臨界剛度，而中間支骨小于其臨界剛度時(shí)，則可能會(huì)出現(xiàn)中間支骨失穩(wěn)的形式。具體表現(xiàn)為，肋骨保持其自身的正圓形不變，作為艙體的剛性支撐周界，而中間支骨會(huì)與艙體殼板一起發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。而在艙體的母線方向，肋骨之間會(huì)形成1個(gè)半波，在各個(gè)肋骨間距內(nèi)則會(huì)形成若干連續(xù)的凹凸交替半波。在橫剖面的整個(gè)圓周上，形成若干凹凸交替的半波，但是所形成的波數(shù)相比艙體肋間殼板局部失穩(wěn)的波數(shù)要少，而比總體失穩(wěn)時(shí)的波數(shù)要多。

2 艙體的穩(wěn)定性計(jì)算

對(duì)承受均勻外壓的無肋和加肋圓柱形艙體失穩(wěn)計(jì)算，經(jīng)大量理論分析和試驗(yàn)研究，得出各種形式的預(yù)測(cè)臨界壓力的理論公式[1]。參照潛艇和魚雷耐壓艙體采用公式（1）和公式（2）計(jì)算總體失穩(wěn)、采用公式（3）計(jì)算肋間殼板局部失穩(wěn)以及采用公式（4）計(jì)算中間支骨失穩(wěn)，其中圖1 為帶板肋骨慣性矩計(jì)算示意圖[2-3]。

圖1 帶板肋骨慣性矩計(jì)算示意圖

2.1 總體失穩(wěn)理論臨界壓力

2.2 肋間殼板局部理論臨界壓力

2.3 中間支骨失穩(wěn)理論臨界壓力

2.4 實(shí)際臨界壓力

理論公式是在假設(shè)其所用材料為理想彈性，其艙體形狀是理想的圓柱形等基礎(chǔ)上所導(dǎo)出，而實(shí)際上，因其所用材料在發(fā)生失穩(wěn)時(shí)的應(yīng)力會(huì)超出彈性極限，同時(shí)在加工精度方面也會(huì)帶來形狀上的缺陷，即會(huì)產(chǎn)生有初撓度的影響，這就需要在計(jì)算中必須對(duì)理論臨界壓力增加一個(gè)修正系數(shù)，一般來說修正系數(shù)分為兩個(gè)部分。

1）所用材料因不服從胡克定律，從而對(duì)穩(wěn)定性不利影響的修正系數(shù)Cs，Cs由σE/σT（其中σT為極限應(yīng)力）確定。理論臨界壓力見式（5）：

不同材料對(duì)Cs值影響不大，在一定范圍內(nèi)Cs是σE/σT的函數(shù)，不同批次其數(shù)值不一樣時(shí)可取其平均值，其值可查閱本文參考文獻(xiàn)。

2）考慮艙體初撓度對(duì)穩(wěn)定性不利影響（實(shí)際還包括裝配、焊接殘余應(yīng)力的影響，以及理論推導(dǎo)中做了各種近似假設(shè)和簡(jiǎn)化帶來的偏差）的修正系數(shù)Cg，一般按函數(shù)關(guān)系式（6）取值：

在實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算中，對(duì)各類穩(wěn)定性的修正系數(shù)Cg值由設(shè)計(jì)部門提供，一般Cg=0.75。則實(shí)際臨界壓力Pcr=CsCgPE，Cs、Cg為兩個(gè)修正系數(shù)。

2.5 穩(wěn)定性校核

艙體在進(jìn)行穩(wěn)定性考核時(shí)，為保證艙體安全可靠地工作，設(shè)計(jì)上要取一定的安全系數(shù)。

式中：P0為設(shè)計(jì)壓力；m 為安全系數(shù)，一般取1.4～1.6。

3 影響耐壓艙體失穩(wěn)臨界壓力的因素

3.1 艙體幾何尺寸

影響艙體臨界壓力的幾何尺寸主要由艙體的長度L、壁厚t 和艙體半徑R；長度L 一定時(shí)，t/R 越大，艙體的臨界壓力越高；艙體t/R 相同，艙體長度越小臨界壓力越高；筒體t/R 和L/R 值相同時(shí)，有肋骨的艙體臨界壓力高。

3.2 艙體材料性能的影響

艙體的臨界壓力與材料的強(qiáng)度沒有直接關(guān)系。材料的彈性模量E 和泊松比μ 值越大，抵抗變形的能力就越強(qiáng)，因而其臨界壓力也就越高。

3.3 艙體圓度和材料成分不均勻

穩(wěn)定性破壞的主要原因不是艙體存在圓度及材料成分不均勻。即使艙體的形狀很精確和材料成分很均勻，當(dāng)外壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)也會(huì)失穩(wěn)。

艙體的圓度與材料成分的不均勻性能使其臨界壓力的數(shù)值降低，即能使失穩(wěn)提前發(fā)生。

4 展望

隨著水下航行器不斷升級(jí)，航行器水下工作深度不斷加大，未來航行器耐壓艙體結(jié)構(gòu)需要對(duì)計(jì)算方法及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行深化研究與應(yīng)用。

1）從耐壓艙體的材料性能以及耐壓艙體在制造工藝等研究過程中提出了新的要求，為了能夠給航行器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供必須的參考，這就需要進(jìn)一步提高耐壓艙體關(guān)于臨界壓力計(jì)算的準(zhǔn)確性。

2）在耐壓艙體安全性和可靠性研究方面，因?yàn)榇笊疃鹊氖褂靡蠛托滦筒牧系膽?yīng)用，也需要對(duì)其設(shè)計(jì)計(jì)算方法、殼體強(qiáng)度及穩(wěn)定性計(jì)算、制造加工工藝等方面進(jìn)行深入研究與應(yīng)用。

5 結(jié)語

通過研究分析，掌握了水下耐壓艙體三種失穩(wěn)形式，即總體失穩(wěn)、肋間殼板局部失穩(wěn)和中間支骨失穩(wěn)預(yù)測(cè)臨界壓力的計(jì)算方法，為產(chǎn)品工程設(shè)計(jì)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性以及工藝性分析等方面提供強(qiáng)有力支撐，產(chǎn)品質(zhì)量可靠性、穩(wěn)定性得以提升。