超大潛深潛器耐壓結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計可行區(qū)域研究

張乃樑，馬建軍，伍 莉

(1.武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引言

潛器耐壓結(jié)構(gòu)方案設(shè)計在滿足結(jié)構(gòu)安全性要求的前題下，追逐的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)不是單一的，如最輕結(jié)構(gòu)重量［1］、最佳強(qiáng)度、最佳建造工藝、最低造價、最佳質(zhì)量和最佳可靠性等［2］，所有這些都與潛器耐壓結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)，超大潛深潛器總體結(jié)構(gòu)方案論證時必需綜合平衡各優(yōu)化目標(biāo)要求，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。在結(jié)構(gòu)方案論證階段，迫切需要一種方便有效的結(jié)構(gòu)參數(shù)快速選取方法，以滿足超大潛深潛器結(jié)構(gòu)方案設(shè)計和優(yōu)化需要，提高總體結(jié)構(gòu)方案論證效率。

超大潛深條件下潛器耐壓殼體承受著巨大的海水壓力，為確保潛器內(nèi)部人員和設(shè)備安全，潛器耐壓殼體必須首先具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性［3］。分析表明，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性主要與3個無量綱結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，也就是說理論上應(yīng)該存在一個設(shè)計可行區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)所有點(diǎn)都能同時滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求，結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化可在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。本文在分析超大潛深潛器耐壓結(jié)構(gòu)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)和強(qiáng)度計算方法的基礎(chǔ)上，提出超大潛深潛器耐壓結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計可行區(qū)域的設(shè)計思路和可行區(qū)域邊界計算方法，針對高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼材料和現(xiàn)有潛器結(jié)構(gòu)參數(shù)取值范圍，通過理論分析和編程計算，繪制出超大潛深潛器耐壓結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計可行區(qū)域圖譜，為超大潛深潛器總體結(jié)構(gòu)方案論證提供了一個有力的設(shè)計工具。

1 研究思路

1.1 研究對象

研究對象為典型帶肋圓柱殼結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)材料為高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼，屈服點(diǎn)分別為常規(guī)潛器計算壓力的184倍和230倍。

1.2 安全系數(shù)和計算壓力

安全系數(shù)K是修正理論計算方法和工程實(shí)際問題之間差異的1個修正系數(shù)。它與腐蝕、建造、超深、材料物理特性、疲勞、理論計算與實(shí)際結(jié)構(gòu)之間差異等諸多因素相關(guān)［4］，是確保潛器結(jié)構(gòu)安全性所必需的。由于設(shè)計思想和使用條件不同，各國潛器安全系數(shù)K取值也不完全相同，通常在1.4～1.7之間［5］，本文暫取K=1.5。

超大潛深潛器極限壓力取常規(guī)潛器的2倍。計算壓力為極限壓力乘以安全系數(shù)K。

1.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計可行區(qū)域設(shè)計

根據(jù)文獻(xiàn)［3］，潛器耐壓殼體安全性要求包括3個應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)、肋間殼板失穩(wěn)臨界壓力控制標(biāo)準(zhǔn)和總體失穩(wěn)臨界壓力控制標(biāo)準(zhǔn)。其中，3個應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)中的控制應(yīng)力和肋間殼板失穩(wěn)臨界壓力表達(dá)式均為3個無量綱參數(shù)［R/t，u，β］的函數(shù)，而總體失穩(wěn)臨界壓力表達(dá)式則為上述3個無量綱參數(shù)和1個與肋骨剖面慣性矩相關(guān)的無量綱參數(shù)I/R3l的函數(shù)。也就是說，即使在參數(shù)［R/t，u，β］確定的情況下，也可以通過調(diào)整肋骨剖面慣性矩I，使得總體失穩(wěn)臨界壓力滿足結(jié)構(gòu)安全性要求。這樣，潛器耐壓殼體安全性要求由5個減少為4個，它們共同圍成一個區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)所有點(diǎn)都能同時滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求，該區(qū)域即為超大潛深潛器耐壓結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計可行區(qū)域。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計可行區(qū)域分析

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)取值范圍

根據(jù)結(jié)構(gòu)材料特點(diǎn)和實(shí)際工程應(yīng)用情況，參照文獻(xiàn)［6］中給出的［R/t］取值范圍，采用高強(qiáng)度鋼材料超大潛深潛器結(jié)構(gòu)參數(shù)［R/t］取值范圍為70～110，采用超高強(qiáng)度鋼材料超大潛深潛器結(jié)構(gòu)參數(shù)［R/t］取值范圍為85～125。

2.2 應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)分析

根據(jù)文獻(xiàn)［3］中3個應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)為:

殼板跨中周向平均應(yīng)力

殼板跨端內(nèi)表面縱向應(yīng)力

肋骨應(yīng)力

根據(jù)以上應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)［7］給出的輔助函數(shù)K1，K2和Kl表達(dá)式，可導(dǎo)出超大潛深潛器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計可行區(qū)域應(yīng)力控制邊界曲線表達(dá)式，式中F1，F(xiàn)2和F4均為無量綱結(jié)構(gòu)參數(shù)u的函數(shù)。

殼板中面周向應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的邊界曲線:

殼板內(nèi)表面縱向應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的邊界曲線:

肋骨平均應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的邊界曲線:

2.3 肋間殼板失穩(wěn)臨界壓力控制標(biāo)準(zhǔn)分析

文獻(xiàn)［3］肋間殼板失穩(wěn)臨界壓力控制標(biāo)準(zhǔn)為:

臨界壓力控制標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)［7］給出的修正系數(shù)Cs和Pe表達(dá)式，可導(dǎo)出超大潛深潛器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計可行區(qū)域肋間殼板失穩(wěn)臨界壓力控制邊界曲線表達(dá)式，式中Cs和Pe為無量綱結(jié)構(gòu)參數(shù)u和R/t的函數(shù)，

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計可行區(qū)域計算

上節(jié)分析表明，超大潛深潛器耐壓結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計可行區(qū)域的3個應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)和1個肋間殼板失穩(wěn)臨界壓力控制標(biāo)準(zhǔn)邊界曲線均為無量綱結(jié)構(gòu)參數(shù)［R/t，u，β］的函數(shù)，針對每一確定的［R/t］值，采用編程計算方法，都可以得出4條曲線，共同構(gòu)成超大潛深潛器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計可行區(qū)域，一系列［R/t］值對應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計可行區(qū)域則構(gòu)成超大潛深潛器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計可行區(qū)域圖譜。

3.1 高強(qiáng)度鋼潛器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計可行區(qū)域圖譜

采用高強(qiáng)度鋼材料超大潛深潛器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計可行區(qū)域計算結(jié)果見圖1～圖5。

3.2 超高強(qiáng)度鋼潛器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計可行區(qū)域圖譜

采用超高強(qiáng)度鋼材料超大潛深潛器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計可行區(qū)域計算結(jié)果見圖6～圖10。

圖6 超高強(qiáng)度鋼材料結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計可行區(qū)域(R/t=85)Fig.6 The chart of higher strength steel structure parameter feasible design region(R/t=85)

4 結(jié)語

本文通過分析超大潛深潛器耐壓結(jié)構(gòu)安全性控制標(biāo)準(zhǔn)，給出了結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計可行區(qū)域邊界曲線表達(dá)方法，針對采用高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼材料典型帶肋圓柱殼結(jié)構(gòu)，采用編程計算方法，繪制出了結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計可行區(qū)域圖譜，為超大潛深潛器總體結(jié)構(gòu)方案論證提供了一個有力工具，得出的主要結(jié)論如下:

圖10 超高強(qiáng)度鋼材料結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計可行區(qū)域(R/t=125)Fig.10 The chart of higher strength steel structure parameter feasible design region(R/t=125)

1)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計可行區(qū)域內(nèi)的所有點(diǎn)均能滿足超大潛深條件下耐壓結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求;

2)材料相同情況下，隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)R/t值的增大，結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計可行區(qū)域逐漸縮小;

3)材料不同情況下，結(jié)構(gòu)參數(shù)R/t的取值隨材料屈服點(diǎn)的提高而增大;

4)在現(xiàn)有超大潛深潛器結(jié)構(gòu)參數(shù)取值范圍內(nèi)，相鄰肋骨跨中殼板中面周向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)控制邊界曲線遠(yuǎn)在穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)控制邊界曲線之上，即設(shè)計可行區(qū)域不受相鄰肋骨跨中殼板中面周向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)限制。

［1］張乃樑.超大潛深潛器結(jié)構(gòu)重量控制措施分析［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2008，30(4):33 －36.ZHANG Nai-liang.The analyse on the structure weight control technique of deeper submersibles pressure columnar hull［J］.Ship Science and Technology，2008，30(4):33 －36.

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