基于CCS和GL規(guī)范的深潛器耐壓結(jié)構(gòu)計(jì)算研究

劉 偉，楊卓懿，龐永杰，陸 振

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱150001)

環(huán)肋圓柱殼作為一種耐壓結(jié)構(gòu)，在潛水器中有著廣泛的應(yīng)用，是潛水器核心設(shè)備的保護(hù)體。對(duì)于潛器耐壓結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)，通常是基于規(guī)范。目前現(xiàn)行的潛器規(guī)范中，德國(guó)GL潛器規(guī)范［1］發(fā)展歷史相對(duì)較長(zhǎng)，其最新的潛器規(guī)范［2-3］針對(duì)載人潛水器及ROV、AUV等無(wú)人潛水器的各自特點(diǎn)，進(jìn)行了詳細(xì)的分類，并定義了相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則。尤其對(duì)于耐壓結(jié)構(gòu)的制造誤差、焊接變形等方面有一套獨(dú)特的計(jì)算方法。目前我國(guó)的潛器規(guī)范［4］中對(duì)圓柱形耐壓殼的強(qiáng)度和穩(wěn)性計(jì)算及其衡準(zhǔn)，基本上是套用了潛艇設(shè)計(jì)計(jì)算規(guī)則中的有關(guān)部分［5］。潛水器與潛艇雖然結(jié)構(gòu)相似，但也有許多不同點(diǎn)。建造潛水器的材料一般是采用具有高比強(qiáng)度高比剛度的金屬或非金屬材料，采用這些高強(qiáng)度材料可使?jié)撍骶哂休^深的工作深度，并能有較大的有效負(fù)荷［6］。通過(guò)對(duì)兩國(guó)規(guī)范相應(yīng)的強(qiáng)度和穩(wěn)性特征量計(jì)算和校核方法對(duì)比，可為我國(guó)潛器規(guī)范的更新完善提供相應(yīng)的借鑒。

1 表征強(qiáng)度和穩(wěn)性的特征量計(jì)算方法

在CCS潛器規(guī)范和德國(guó)GL潛器規(guī)范中，承受外壓的環(huán)肋圓柱殼需要計(jì)算的強(qiáng)度和穩(wěn)性特征量主要包括殼板強(qiáng)度、肋骨強(qiáng)度、殼板穩(wěn)性、艙段總體穩(wěn)性。

1.1 CCS潛器規(guī)范設(shè)計(jì)計(jì)算方法

1.1.1 安全系數(shù)把計(jì)算深度與工作深度之比稱作安全系數(shù)，計(jì)算壓力取為最大許用工作壓力的1.5倍。

1.1.2 殼板強(qiáng)度

圓柱形殼體的殼板應(yīng)力應(yīng)檢驗(yàn)跨度中點(diǎn)處殼板縱剖面上的中面周向平均應(yīng)力σ1和支座邊界處殼板橫剖面上內(nèi)表面應(yīng)力σ2。見(jiàn)式(1)、(2)。

式中:pj——計(jì)算壓力;

Ro——耐壓圓柱殼體半徑;

t——?dú)ぐ搴穸取?/p>

所得應(yīng)力應(yīng)滿足:σ1≤0.85σs

所得應(yīng)力應(yīng)滿足:σ2≤1.15σs

1.1.3 肋骨強(qiáng)度

肋骨應(yīng)力，取其周向應(yīng)力來(lái)表征，按式(3)計(jì)算。

所得應(yīng)力應(yīng)滿足:σf≤0.6σs

以上式中:k1，k2，kf均為系數(shù)，可由參數(shù)u，β查規(guī)范［7］的相應(yīng)圖表決定。

式中:L——肋骨間距;

f——肋骨剖面面積。

1.1.4 殼板穩(wěn)性

式中:pe——理論臨界壓力，按照式(5)計(jì)算。

式(6)中Cs為材料非線性修正系數(shù)，根據(jù)σe/σs查規(guī)范［7］的相關(guān)圖譜確定。

所得屈曲壓力值應(yīng)滿足pcr≥pj。

1.1.5 總體穩(wěn)性

對(duì)艙段長(zhǎng)度L之間的殼板和肋骨，應(yīng)校驗(yàn)其總體穩(wěn)性，總體失穩(wěn)壓力pcr由式(8)確定。

式中:pe——理論臨界壓力，按式(9)計(jì)算。

式中:n——周向失穩(wěn)波數(shù)，應(yīng)使pe最小，Cs與上節(jié)相同，可查規(guī)范［7］的相關(guān)圖譜確定。

所得總體失穩(wěn)壓力應(yīng)滿足pcr≥1.2 pj。

1.2 德國(guó)潛器規(guī)范設(shè)計(jì)計(jì)算方法

1.2.1 安全系數(shù)

德國(guó)GL潛器規(guī)范與我國(guó)潛器規(guī)范類似，也是在明確計(jì)算壓力pj的情況下，計(jì)算得到殼板和肋骨的各種應(yīng)力。但德國(guó)潛器規(guī)范對(duì)于計(jì)算壓力定義了三種不同的工況:名義下潛壓力pNDP，測(cè)試下潛壓力pTDP和極限下潛壓力pCDP，針對(duì)這三種不同工況需要進(jìn)行各自的計(jì)算和強(qiáng)度以及穩(wěn)性校核。名義下潛壓力pTDP=0.101(105Pa/m)×下潛深度H(m)。同時(shí)，德國(guó)潛水器針對(duì)載人和無(wú)人潛水器的不同特點(diǎn)，設(shè)置了相應(yīng)的安全系數(shù)，其安全系數(shù)隨深度變化見(jiàn)表1和表2。

表1 載人潛水器安全系數(shù)與深度關(guān)系

表2 無(wú)人潛水器安全系數(shù)與深度關(guān)系

1.2.2 殼板強(qiáng)度

跨中處殼板強(qiáng)度由式(10)和式(11)確定。

式中:σo——非環(huán)肋圓柱殼周向應(yīng)力;

σbx，M——肋骨間縱向彎曲應(yīng)力;

σmx———縱向薄膜應(yīng)力;

s——?dú)ぐ搴穸?

Rm——耐壓圓柱殼的平均半徑;

ν——泊松比;

WM——肋骨中點(diǎn)徑向位移;

L——肋骨間距;

sw——肋骨寬度。

參數(shù)Aeff，F(xiàn)2，F(xiàn)4的計(jì)算方法，由GL規(guī)范有關(guān)算式計(jì)算，此處不一一列出。

在跨端處殼板強(qiáng)度按照式(12)和式(13)確定。

所得的應(yīng)力應(yīng)滿足

式中:σbx，F(xiàn)——肋骨處周向應(yīng)力;

WF—肋骨處徑向位移;

σmφ，F(xiàn)——肋骨處縱向彎曲應(yīng)力;

Rm，20°——室溫為20℃時(shí)的最小抗拉強(qiáng)度;

ReH，t——設(shè)計(jì)溫度下材料的屈服極限或材料應(yīng)變?yōu)?.2%時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力;

A、B的取值見(jiàn)規(guī)范［7］;

σx，σφ——軸向和周向應(yīng)力;正負(fù)號(hào)表示殼體的外內(nèi)表面;

F3——參數(shù)。

1.2.3 肋骨強(qiáng)度

周向應(yīng)力為

彎曲應(yīng)力為

式中Wel按式(16)計(jì)算，e等參數(shù)計(jì)算方法，此處不一一列出。

式中:wo——肋骨圓度誤差;p——極限下潛壓力。

png按式(22)確定。文獻(xiàn)［2］給出Rf、RD。

1.2.4 殼板穩(wěn)性

理論彈性屈服壓力按照式(17)計(jì)算。

理論彈塑性屈服壓力按照式(18)計(jì)算。

式中切線模量Et和割線模量Es可由式(19)和式(20)得出。

理論彈塑性屈服壓力picr乘以r應(yīng)大于計(jì)算壓力pj，其中折減系數(shù)r按式(21)計(jì)算。

1.2.5 總體穩(wěn)性

式中PF和PB按式(23)和式(25)計(jì)算。

式中:RC，D——到肋骨型心的半徑;

IF——肋骨附連帶板的慣性距。

帶板長(zhǎng)度Leff由式(24)計(jì)算。

式中:n——周向失穩(wěn)半波數(shù)，其它參數(shù)的定義和計(jì)算方法可見(jiàn)規(guī)范［2］。

所得到的屈曲壓力應(yīng)滿足于png＞1.07Pj。

2 規(guī)范計(jì)算及校核方法的對(duì)比分析

為了更直觀地體現(xiàn)兩國(guó)規(guī)范的差異，下面給出算例，同時(shí)應(yīng)用有限元軟件對(duì)相應(yīng)強(qiáng)度特征量進(jìn)行計(jì)算，與規(guī)范中相應(yīng)計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行逐一的對(duì)比(見(jiàn)表3)，并對(duì)造成的差異進(jìn)行分析。

表3 兩種計(jì)算結(jié)果的比較

該潛器圓柱形耐壓艇體及下潛深度等參數(shù)為:圓柱殼長(zhǎng)L=9.2 m，圓柱殼半徑R=875 mm，殼板名義厚度t0=24 mm，肋骨采用球緣扁鋼ΓNO.18a，肋骨間距為l=450 mm，鋼材屈服極限為σs=800 MPa，鋼材彈性模數(shù)E=2.06×105MPa。潛器工作深度為h=1 000 m，安全系數(shù)統(tǒng)一取為CCS規(guī)范值1.5，故計(jì)算壓力pj=15 MPa。

通過(guò)表2可以看出，兩國(guó)規(guī)范對(duì)于強(qiáng)度和穩(wěn)性特征量的計(jì)算大體相同，但具體的數(shù)值和校核方法存在差異。

1)兩國(guó)規(guī)范都是在明確計(jì)算壓力pj的前提下，計(jì)算得到殼板和肋骨的相應(yīng)應(yīng)力，我國(guó)規(guī)范考慮了縱向力對(duì)殼彎曲的影響即梁柱效應(yīng)，而GL規(guī)范則沒(méi)有體現(xiàn)。

2)兩國(guó)規(guī)范對(duì)于相應(yīng)強(qiáng)度特征量的計(jì)算較為一致。但在強(qiáng)度的衡準(zhǔn)上，GL規(guī)范是對(duì)于等效應(yīng)力進(jìn)行校核，同時(shí)考慮了耐壓殼體內(nèi)外表面應(yīng)力的不同，而CCS規(guī)范考慮的是應(yīng)力最大的那個(gè)表面。在校核安全系數(shù)方面，CCS規(guī)范對(duì)不同的強(qiáng)度特征量的要求不同。

3)在肋骨應(yīng)力的考慮上兩國(guó)規(guī)范有較大差異。德國(guó)GL規(guī)范對(duì)于內(nèi)外肋骨布置形式和偏心距有所考慮，我國(guó)這方面沒(méi)有做任何處理。這樣無(wú)論內(nèi)外肋骨，無(wú)論腹板高低，只要橫剖面積一樣，其計(jì)算結(jié)果就相同。這顯然是不合理的，此外，我國(guó)規(guī)范在肋骨強(qiáng)度校核準(zhǔn)則中認(rèn)為，肋骨平均應(yīng)力中包含了肋骨周向應(yīng)力和附加彎曲應(yīng)力兩項(xiàng)，但是在計(jì)算中，僅用肋骨的周向應(yīng)力表示了肋骨平均應(yīng)力，對(duì)于初始缺陷造成的附加彎曲應(yīng)力，沒(méi)有考慮，致使計(jì)算結(jié)果較GL規(guī)范和有限元計(jì)算偏小。德國(guó)GL規(guī)范對(duì)于制造誤差有相應(yīng)的計(jì)算公式和測(cè)量方法，在計(jì)算中將肋骨應(yīng)力細(xì)分成兩部分考慮(壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力)，彎曲應(yīng)力占到了肋骨應(yīng)力的25.8%，比重較大，并通過(guò)兩者的絕對(duì)值和來(lái)校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

4)兩國(guó)規(guī)范在殼板穩(wěn)性的計(jì)算上和安全衡準(zhǔn)方法上差別較大，CCS規(guī)范經(jīng)過(guò)幾何非線性和物理非線性修正使得許用應(yīng)力較低。但對(duì)于大深度潛水器因其耐壓殼材料采用高強(qiáng)度材料，耐壓殼半徑厚度比值小，耐壓殼破壞壓力的計(jì)算不能完全套用潛艇規(guī)范的修正系數(shù)。德國(guó)GL規(guī)范計(jì)及了材料彈性模量與應(yīng)力之間的非線性關(guān)系，通過(guò)應(yīng)力與材料比例極限大小的判斷，在耐壓殼彈性屈曲公式中引入非彈性段的材料切線模量Et和割線模量Es，從而考慮了材料非線性影響，因此算例中德國(guó)規(guī)范得到的應(yīng)力未達(dá)到材料的比例極限，仍屬于彈性范圍。與CCS規(guī)范差別較大。在校核時(shí)德國(guó)GL規(guī)范并未區(qū)分幾何非線性和物理非線性，而是計(jì)算得到的理論彈塑形臨界壓力乘以折減系數(shù)r大于計(jì)算壓力即可。

5)在總體穩(wěn)定性的計(jì)算上，兩國(guó)規(guī)范基本上是一致的。理論臨界壓力的計(jì)算上，GL規(guī)范比我國(guó)規(guī)范偏高10.7%，主要是由于附連帶板的取值引起的偏差，可以看出，我國(guó)規(guī)范取一檔肋距為附連帶板寬是偏危險(xiǎn)的，而GL規(guī)范在半徑的選取上考慮更全面。修正系數(shù)的選擇上，GL規(guī)范是直接取為1.07，并把得到的結(jié)果就作為最大的允許工作壓力，而CCS規(guī)范是經(jīng)過(guò)兩次修正之后的結(jié)果。CCS規(guī)范對(duì)總體穩(wěn)定性的修正和校核準(zhǔn)則較嚴(yán)格，使極限工作壓力反而比GL規(guī)范小。

3 結(jié)論

1)德國(guó)潛器規(guī)范針對(duì)潛器的自身特點(diǎn)，對(duì)于不同下潛深度和工況定義了相應(yīng)的安全系數(shù)和計(jì)算校核方法，計(jì)算非常全面細(xì)致，值得借鑒。

2)GL規(guī)范對(duì)于肋骨不圓度定義了相應(yīng)的測(cè)量和計(jì)算方法，同時(shí)在肋骨校核中考慮了側(cè)傾和焊接變形的影響，可為潛器設(shè)計(jì)提供借鑒。

3)深潛器更多采用復(fù)合材料，以提高材料利用率和降低重量，因此穩(wěn)性問(wèn)題更加突出。GL規(guī)范在殼板穩(wěn)性校核中綜合考慮幾何非線性和物理非線性的影響，較為科學(xué)合理的。

4)歐美潛器規(guī)范和相應(yīng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的分析方法能更好地適用于新材料，能夠科學(xué)地體現(xiàn)大深度潛水器結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)。

［1］GERMANISCHER LLOYD.Calculation and Pressure Hulls under External Pressure［S］.Hamburg，Germanischer Lloyd AktiengeseUschaft，1998.

［2］GERMANISEHER LLOYD.Rules for classification and construction，l-Ship technology，5-Underwater technology，1-Diving Systems and Diving Simulators［S］.Hamburg，Germanischer Lloyd AktiengeseUschaft，2009.

［3］GERMANISEHER LLOYD.Rules for classification and construction，l-Ship technology，5-Underwater technology，3-Unmanned submersibles［S］.Hamburg，Germanischer Lloyd AktiengeseUschaft，2009.

［4］中國(guó)船級(jí)社.潛水系統(tǒng)和潛水器入級(jí)與建造規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，1996.

［5］中華人民共和國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn).潛艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法［S］.北京:國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)，2001.

［6］劉 濤.大深度潛水器耐壓殼體彈塑形穩(wěn)定性簡(jiǎn)易計(jì)算方法［J］.中國(guó)造船，2001，42(3):8-14.

［7］GERMANISEHER LLOYD.Rules for classification and construction，l-Ship technology，5-Underwater technology，2-manned Submersibles［S］.Hamburg，Germanischer Lloyd AktiengeseUschaft，2009.