長艙段耐壓結構研究進展

(海軍駐武漢719所軍事代表室，武漢 430064)

隨著大型設備進入艙室，環肋圓柱殼艙段尺度有不斷增加的趨勢[1-2]。相比于一般的環肋圓柱殼，長艙段環肋圓柱殼長度與半徑之比明顯大于一般的環肋圓柱殼[3]，使得艙段的穩定性問題突出。通過設置框架肋骨可在一定程度上改善長艙段的力學性能。長艙段是一種特殊的環肋圓柱殼，主要應用于較大深度的水下環境，其結構力學特性的計算方法可以參考普通環肋圓柱殼。然而長艙段與普通環肋圓柱殼結構參數的不同，所受外部壓力亦有較大的增加，造成普通環肋圓柱殼結構力學特性計算方法不完全適用于長艙段耐壓結構設計。尤其是對于設計單位而言，若依然采用現行規范[4]對長艙段進行結構設計則不合適。為此，從結構強度、穩定性以及結構優化的角度出發，對國內外長艙段結構力學性能的研究現狀進行總結分析，并對長艙段結構有待研究的問題進行概括。

1 強度研究進展

長艙段耐壓結構的強度研究，重點在于框架肋骨及其附近區域應力水平的計算方法研究。長艙段所受外部壓力以及結構參數均與普通環肋圓柱殼不同。較大的外部壓力對長艙段的結構強度提出了更高的要求，同時肋骨尺寸及其布置方式的變化，使得普通環肋圓柱殼的應力計算方法不再完全適用于長艙段結構。

對于耐壓結構應力水平的計算，部分學者[3]提出采用加強棱柱殼體法，推導環肋圓柱殼靜力微分方程，通過傅里葉展開，求得環肋圓柱殼的位移解，進而得到其應力解。通過該方法，可以得到環肋圓柱殼任何位置的應力值。但該方法的應力計算結果普遍偏大，在最危險的位置應力計算結果與有限元計算結果較為接近，可作為輔助校核。

朱邦俊等[5]從彈性力學角度出發，建立了一個較為精確的力學模型，提出潛艇橫向剛性構架區域應力計算解析方法，對框架肋骨應力進行理論求解。該方法考慮了內、外框架肋骨和結點區域嵌入厚板, 以及厚、薄板連接處由于中曲面不一致而引起的附加力矩和鄰近普通肋骨對框架肋骨縱向彎曲的影響；并指出內框架肋骨根部殼板內表面縱向應力明顯大于相應的外框架肋骨；框架肋骨臨近的普通肋骨對框架肋骨處的縱彎有一定的影響。但通過該方法得到的應力計算公式較為復雜，不便于工程人員直接使用。

鄒廣[6]等依據薄殼理論分析環肋圓柱殼的結構力學特性，根據現行規范等計算方法，分析了結構參數以及幾何參數對應力的影響，同時分析了中間參數的物理意義，其結果可供長艙段結構設計參考。

2 穩定性研究進展

隨著艙段長度的增大，艙壁對于艙段穩定性的有利影響將逐漸減小，艙段總體穩定性有待提高，框架肋骨的設置有助于提高長艙段的穩定性。隨著長艙段下潛深度的增大，現行計算方法[7]計算得到的艙段失穩壓力不再完全符合試驗結論[8]。尤其是對于環肋圓柱殼的設計，利用何種計算方法才能得到長艙段相對準確而又安全的艙段總體失穩壓力是必須要解決的問題。普通環肋圓柱殼穩定性的分析方法對長艙段穩定性的分析具有一定的參考價值。

框架肋骨用于提高長艙段的穩定性最早在國外出現。一些學者提出框架肋骨可提高艙段總體穩定性，并從理論與試驗角度得到了印證，同時得到了帶有框架肋骨長艙段彈性失穩臨界壓力的計算方法。William等學者則分析了框架肋骨對艙段彈性穩定性的影響規律，通過改變框架肋骨尺寸、肋骨間距、殼板厚度等模型尺寸，分析艙段總體穩定性的變化情況，尋找臨界框架肋骨的尺寸，并對框架肋骨的結構設計提出了一定的建議。

國內對于框架肋骨對長艙段穩定性的影響也有一定的研究。宋世偉等[18]針對某一典型長艙段環肋圓柱殼，分別進行了一根框架肋骨結構優化、兩根框架肋骨結構優化穩定性校核，指出隨著艙段長度的增加，有限元計算的結果與解析結果差別逐漸增大，當增加到一定程度后，其差距已超出了工程適用范圍。規范中環肋圓柱殼的穩定性計算公式對于長艙段的穩定性計算，有一定的不足之處，需要對其進行修正，或者將有限元計算結果作為環肋圓柱殼長艙段求解的重要參考。選用不同數量的框架肋骨，會在艙段重量與艙室容積上得到不同的效果。何福志[19]等總結長艙段失穩波形，提出周向失穩波形為3或4，縱向失穩波形為對稱波或反對稱波；對于長艙段總體穩定性的計算則采用Pcr=C×Pe；框架肋骨的剛度是提高長艙段總體穩定性的重要參數，設計合適的截面，得到合理的剛度對于提高艙段總體穩定性具有重要意義；框架肋骨安裝位置的選擇，對于長艙段的失穩模式也有很大的影響。

3 結構優化設計研究進展

艙段結構優化可以在滿足一定約束條件下使得結構的力學性能達到最優。長艙段結構的優化設計方法與普通環肋圓柱殼的結構優化設計方法相類似。

吳劍國[20]考慮到在環肋圓柱殼結構設計中存在的不確定因素，進行結構的模糊優化設計。采用約束非線性混合離散變量優化方法，直接獲得離散變量的最優解，無需作規格化處理。算例表明該方法簡便實用，結果合理。楊卓懿[21]提出用APDL語言建立參數化結構有限元分析模型，并根據設計要求選取設計變量，用試驗設計的方法在設計變量空間里選取樣本點并進行結構分析，得到各樣本點的響應。最后用這些樣本點和響應建立起結構質量和應力的二階多項式模型，并對響應面模型采用罰函數法進行優化獲得最優解，以解決有限元模型應用于優化設計時效率低的問題。該方法提高了結構的強度利用率，縮短了優化時間。謝金鑫[22]亦采用APDL語言進行參數化有限元建模，同時利用ISIGHT對結構進行優化，效率較高。李學斌[23]等采用多目標遺傳算法和多屬性決策理論，針對潛艇環肋圓柱殼在靜水壓力作用下的多目標離散優化問題進行了研究，討論了與潛艇結構強度設計有關的應力和失穩載荷與質量之間的關系，給出了不同目標之間的Pareto前沿。基于無偏好信息情況下的排序挑選出最優解，并且和經典的單目標最優解進行了比較分析，對于潛艇結構設計具有指導性意義。

朱學康等[24]以重量及強度應力為目標函數，求出了Pareto最優解，給出了強度應力和失穩載荷與重量之間的分布關系。采用逼近理想解的排序方法和信息熵方法，得到基于無偏好信息情況下的最優解排序。該聯合方法能夠快速尋找到最優解，并且這些解分布比較均勻、多樣性好，能夠為決策者提供較多選擇，使得決策的最終結果合理。李學斌[25]基于分枝定界方法，研究了環肋圓柱殼靜水壓力作用下，考慮強度和穩定性約束時重量最輕的混合變量優化設計問題，討論了強度約束和穩定性約束以及材料、幾何參數對優化結果的影響。該方法能夠有效求解環肋圓柱殼的混合優化問題，計算量小，精度高；環肋圓柱殼經優化后，殼板的重量比例大約是70%，肋骨重量占30%，并且隨殼體的長徑比(L/R)變化不大。宋世偉等則針對現行規范對環肋圓柱殼結構應力穩定性的要求，通過調整各應力之間的匹配性，優化框架肋骨結構尺寸，進而優化整個艙段的結構。通過分析得知相較于帶有兩根框架肋骨的長艙段，帶有一根框架肋骨的長艙段不僅其各應力之間的匹配性更佳，其結構重量方面也有一定的優勢。

4 結束語

依托于對普通環肋圓柱殼耐壓結構的研究，長艙段耐壓結構的研究已形成一個基本的體系，但仍有一些問題需解決。

1)長艙段耐壓結構應力的理論計算結果與試驗值之間仍存在一定的誤差，使得理論分析仍存在一定的不可信度。

2)長艙段結構的極限承載能力的影響因素還未明確，研究還不夠充分。

3)初始缺陷對長艙段力學性能的影響規律以及預防手段需得到進一步研究。

4)長艙段結構優化方面，需將大型肋骨的數量、位置以及結構形式等因素考慮在內。

長艙段結構的研究基礎比較成熟，但仍需理論創新以滿足工程上對理論計算結果的精度要求。而且大量的模型試驗有待進行，以完善理論的不足。同時，有限元法等數值分析方法可用于長艙段結構的數值模擬，以彌補試驗能力的不足。

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