某型潛艇開孔修補方案的分析

2013-09-27 04:34:54邵優華周惠元

船舶 2013年6期

趙健邵優華周惠元

（1.海軍駐上海地區艦炮系統軍事代表室上海 200135；2.中國人民解放軍第四八○五工廠上海 200135）

0 引言

潛艇的耐壓殼體是潛艇的主體結構，應具有良好的水密性和強度，是潛艇生命力的重要保證［1］。某型潛艇在維修時誤在耐壓殼體上開孔。為確保耐壓殼體的整體強度和修理進度，制造廠提出在肋骨腹板處開孔或局部切斷肋骨的修補方案。但開孔和切斷肋骨會使該部位耐壓殼體結構的強度有所減弱，當潛艇在船臺修理期間，在自身重力作用下，耐壓殼板可能會產生變形。因此采用有限元方法對局部開孔或切斷肋骨情況下的潛艇耐壓殼體的變形和應力進行計算分析［2］，評估施工方案。

1 殼體開孔位置及修補方案

某艇艙32號～33號肋骨之間的耐壓殼上有一個圓形孔。該孔位于32號肋骨根部，直徑為135 mm，向艏沿圓周朝向十點鐘方向。為了對該孔進行修補，擬在肋骨腹板處開工藝孔或局部切斷肋骨，以方便施工。具體方案如下:

方案1:在32號肋骨腹板開長圓型孔，孔的尺寸為長200～300 mm、高100 mm，同時縱向增加兩根T型加強材，加強材尺寸與32號肋骨相同。

方案2:將32號肋骨切斷，長度為800 mm，同時縱向加兩根T型加強材，加強材尺寸同32號肋骨。

2 有限元計算模型

2.1 有限元模型

運用有限元分析軟件的MSC.PATRAN［3］模塊建立開口所在艙段耐壓船體結構有限元模型，并對開口艙段耐壓船體結構的應力和變形進行計算分析。考慮到開孔僅會對耐壓殼體的局部產生影響，因此有限元模型的范圍僅選取潛艇的某艙段，建立如圖1所示的有限元模型，圖2為開孔處模型放大圖。整個模型均采用shell單元。

圖1 計算模型整體結構圖

圖2 開孔處模型

2.2 材料參數

模型材料為鋼材，彈性模量E=2.1×108kPa，泊松比λ=0.3，密度ρ=0.00000785 kg/mm3。建模采用了kg·mm·s單位制，在該單位制下位移計算結果單位為mm，應力計算結果單位為kPa。

2.3 載荷分布

計算載荷為殼體自身重力和艙內設備重力，艙段從22號肋位至37號肋位的質量分布如表1所示。考慮到設備位置的不確定性，將設備的質量均勻分布到艇體整個圓周上。

表1 某艙質量分布表

2.4 邊界條件

模型邊界為22號肋位艙壁與37號肋位艙壁，邊界條件取為簡支。考慮到坐墩時墩木對于艇體變形的支撐，因此將與墩木接觸的區域進行徑向約束。

2.5 計算網格

對模型使用50 mm×50 mm的網格尺度進行劃分，在開口區域網格加密，尺度變為20 mm×20 mm。整個有限元模型共94981個節點、94532個單元。

2.6 計算結果

艇體未切斷肋骨或未在肋骨腹板開孔時，在重力作用下，整體變形均比較小。最大位移出現在坐墩附近，約為0.110 mm，如圖3所示；艇體頂端位移相對較大，最大位移為0.0832 mm；開孔處位移相對較小，其最大位移約為0.0685 mm，如圖4所示。

圖3 整體位移云圖

圖4 開孔附近位移云圖

模型應力整體較小，最大應力出現在F26坐墩端部附近，約為11.2 MPa，如圖5所示；開孔附近出現應力集中，最大約為2.07 MPa，如圖6所示。

圖5 整體中面應力云圖

圖6 圓孔附近中面應力云圖

2.7 肋骨腹板開孔后模型的應力與變形

圖7 整體位移云圖

方案1為在肋骨腹板開腰型孔，并在殼體開孔兩側增加縱向加強筋。此時，最大位移出現在F26坐墩附近，約為0.110 mm，如圖7所示；艇體頂端位移也較大，最大位移達0.0838 mm；開孔處位移較小，其最大位移約為0.0657 mm，如圖8所示。應力整體較小，最大應力出現在F26坐墩端部附近，約為11.0 MPa，如圖9所示；開孔附近出現應力集中，最大約為2.22 MPa，如圖10所示。

圖8 圓孔附近位移云圖

圖9 整體中面應力云圖

圖10 圓孔附近中面應力云圖

2.8 局部切斷肋骨后模型的應力與變形

方案2為在局部切斷肋骨，并在兩側增加縱向加強筋。此時，最大位移出現在F26坐墩附近，約為0.110 mm，如圖11所示；艇體頂端位移也較大，最大位移達0.0839 mm；開孔處位移最大值約為0.0728 mm，如圖12所示。模型應力整體較小，最大應力出現在F26坐墩端部附近，約為11.2 MPa，如圖13所示；開孔附近出現應力集中，最大約為2.52 MPa，如圖14所示。