加肋錐—環—柱結合殼初始幾何缺陷形態分析

黃加強

海軍駐武漢第二船舶設計研究所軍事代表室，湖北武漢430205

0 引 言

在錐殼與柱殼之間嵌入一段環殼塊，取環殼塊子午線所對的圓心角等于錐殼半錐角，并使環殼塊的兩側分別與錐殼、柱殼形成光順連接，這種錐—柱結合部的新型連接形式稱為“加肋錐—環—柱結合殼”（以下簡稱“錐—環—柱結合殼”）。理論分析和系列模型試驗［1-7］證明：錐—環—柱結合殼可以很好地解決由于錐—柱結合處兩側殼母線斜率不連續而造成該區域較高應力集中的問題，是一種優越的錐—柱結合殼連接結構形式；然而錐—環—柱結合殼結構在加工建造過程中不可避免地會岀現初始幾何缺陷。要研究初始幾何缺陷對錐—環—柱結合殼力學性能的影響，首先需要研究初始幾何缺陷的部位及形態。目前有學者［8-11］針對球殼、圓柱殼等結構的不圓度、肋間殼板凹凸度等初始幾何缺陷形式，分析了初始幾何缺陷對結構力學性能的影響；但對于錐—環—柱結合殼結構初始幾何缺陷的產生原因及形態分析還未見報道。為此，本文擬從錐—環—柱結合殼的實際加工建造過程出發，分析初始幾何缺陷出現的原因及部位，并對初始幾何缺陷的形態進行總結，以利于分析初始幾何缺陷對錐—環—柱結合殼力學性能的影響。

1 錐—環—柱結合殼加工過程

錐—環—柱結合殼加工過程為：環殼塊及其延伸段采用數控機床車削加工；在環殼塊殼兩端分別通過角焊焊接1，2 號肋骨（圖1）形成環殼段；再通過環焊與艇體圓柱殼段、圓錐殼段對接，形成含錐—環—柱結合殼的艙段結構。其中，肋骨焊接方式以及殼板對接方式與普通環肋圓柱殼的加工建造相似，在此不再贅述，重點介紹環殼塊的機加工過程。

圖1 錐—環—柱結合殼焊縫示意圖Fig.1 Welding line of cone-toroid-cylinder combined shell

錐—環—柱結合殼加工工藝流程圖如圖2所示。

圖2 錐—環—柱結合殼模型加工工藝流程圖Fig.2 Processing flow chart of cone-toroid-cylinder combined shell model

環殼段的加工分為毛坯加工與車削加工2部分。

1）環殼段毛坯加工。

選取圓柱殼用于環殼段的毛坯（圖3）加工，用刨邊機加工坡口。

圖3 用于加工環殼段的圓柱形毛坯Fig.3 Cylindrical roughcast for toroid processing

2）環殼段車削加工。

（1）選用單柱移動數控立式車床，將環殼段吊上立車回轉平臺，使環殼段中心線與回轉平臺中心線對齊，偏差不大于1 mm。

（2）調整環殼段的狀態，將環殼段點焊在一塊圓形鋼板上，并用專用夾具將鋼板固定牢固。

（3）根據環殼段機加工技術要求，確定需車削的余量，編寫車削程序。

（4）車削加工時，根據立車的加工能力并結合環殼段的余量值，合理確定進刀量。當車削加工進行到最后一刀之前，根據需要停車檢查環殼段剩下的余量值，確定進刀量后再進行最后一刀的車削加工。

（5）環殼段車削加工時，先加工兩端面，再加工環殼段內表面，接下來是環殼段外表面，最后加工坡口。

圖4 所示為一加工成型的錐—環—柱結合殼模型。

圖4 錐—環—柱結合殼模型示意圖Fig.4 Cone-toroid-cylinder combined shell model

2 錐—環—柱結合殼初始幾何缺陷出現原因及部位分析

從第1 節分析可知，錐—環—柱結合殼的加工建造過程主要包括環殼段的車削加工，以及肋骨、相鄰錐柱殼的裝配與焊接等，現從以上3 個方面分析各主要過程可能出現的初始幾何缺陷。

1）環殼段車削加工所采用的單柱移動數控立式車床，車削精度一般可達0.1 mm，精度較高。與環肋圓柱殼焊接加工相比，可能產生的初始幾何缺陷幅值量級較小，可視為無初始幾何缺陷。

2）肋骨的裝配與焊接主要包括1，2 號肋骨之間的裝配與焊接。由第1 節的分析可知，此處采用角焊，產生1，2 號角焊縫，如圖1 所示。肋骨與環殼段殼板的裝配與角焊引起1，2 號肋骨的初始幾何缺陷。

3）殼板的裝配與焊接主要為圓柱殼延伸段和圓錐殼延伸段通過對接焊焊接到相鄰的圓柱殼與圓錐殼，形成1，2 號環焊縫。該環焊縫引起殼板的初始幾何缺陷。

3 錐—環—柱結合殼初始幾何缺陷形態分析

初始幾何缺陷對薄殼結構的影響，可以在殼體的非線性幾何方程中得到體現［12］。忽略初始幾何缺陷引起的殘余應力，則初始幾何缺陷的分布與形態直接決定幾何方程的修正方式。環肋錐—環—柱結合殼的初始幾何缺陷分為肋骨初始幾何缺陷以及殼板初始幾何缺陷2 部分，其具體的分布情況如第2 節所述。現參考現行規范［13］，分別分析肋骨初始幾何缺陷與殼板初始幾何缺陷的形態。

3.1 肋骨初始幾何缺陷形態分析

肋骨初始幾何缺陷的表現形式主要有以下3種：肋骨垂直度偏差、肋骨波紋度偏差以及肋骨初撓度。其中，肋骨垂直度偏差與肋骨波紋度偏差容易修正，而肋骨徑向初撓度則不易修正。由第2 節的分析可知，錐—環—柱結合殼肋骨初始幾何缺陷的產生起因于1，2 號角焊縫。肋骨焊接缺陷統計分析表明：角焊縫引起的肋骨垂直度偏差與波紋度偏差幅值較小，易于修正，對錐—環—柱結合殼力學性能的影響較小；而角焊縫引起的初撓度幅值相對較大，不易修正，對錐—環—柱結合殼的力學性能影響較大。圖4 所示模型產品質量測量記錄顯示：肋骨垂直度偏差測量40 個點，所測最大值為規范允許值（0.3h，其中h 為肋骨高度）的50.5%；肋骨波紋度偏差測量104 個點，所測最大值為規范允許值（0.3h，其中h 為肋骨高度）的40.4%。垂直度偏差與波紋度偏差值均較小，且易于修正。

肋骨初撓度測量32 個點，1，2 號肋骨根部各16 個測點。其中，1～16 號測點布置在1 號肋骨，17～32 號測點布置在2 號肋骨。表1 和圖5 所示為肋骨初撓度測量結果。

表1 初撓度測量結果Tab.1 The measuring results of initial deflection

圖5 肋骨初撓度沿環向坐標變化情況Fig.5 Variation of rib's initial deflection with respect to ring coordinates

從圖5 中可以看出，1 號肋骨初撓度沿環向呈4 個半波，2 號肋骨初撓度沿環向呈8 個半波。根據大量環肋薄殼結構的建造經驗，初撓度沿環向的形態主要有4個半波、6 個半波、8個半波或其它組合波形等。圖5 所示模型初撓度測量結果符合環肋薄殼結構的建造規律。圖6 所示為肋骨初撓度典型周向波形示意圖。

圖6 肋骨初始幾何缺陷示意圖Fig.6 Initial deflection of ribs

現行規范規定：圓柱殼、圓錐殼肋骨初撓度幅值不得大于0.002 5R（R 為耐壓殼殼板半徑）；與相鄰圓柱殼、圓錐殼的要求一樣，錐—環—柱結合殼肋骨初撓度幅值也不得大于0.002 5R，其幅值變化范圍為0～0.002 5R。

3.2 殼板初始幾何缺陷形態分析

殼板的初始幾何缺陷主要為由1，2 號環焊縫引起的殼板局部凹凸度（圖7），集中在圓柱殼段和圓錐殼段的肋間殼板上。

現行規范規定：圓柱殼、圓錐殼殼板凹凸度的幅值不得超過0.2t（t 為殼板厚度）；與相鄰圓柱殼、圓錐殼要求一樣，錐—環—柱結合殼殼板凹凸度的幅值不得超過0.2t，其幅值變化范圍為0～0.2t。圖4 所示模型的測量結果顯示，其殼板局部凹凸度最大幅值為規范允許幅值的44.1%，所測32 個點全部在允許范圍之內，具體數值見表2。

圖7 圓柱殼段殼板凹凸度示意圖Fig.7 Convex-concave of cylinder's shell

表2 殼板凹凸度測量情況Tab.2 The measuring results of initial convex-concave

圖8 所示為根據上述測量結果繪制的殼板凹凸度隨環向坐標變化情況。

圖8 殼板凹凸度隨環向坐標變化情況Fig.8 Variation of shell's convex-concave with respect to ring coordinates

從圖8 中可以看出，殼板凹凸度基本上呈波形變化，出現的位置及幅值大小具有隨機性。然而殼板凹凸度的隨機性不利于進一步分析。因此在進行理論分析時，不妨選取與含錐—環—柱結合殼艙段的一階屈曲失穩模態中圓柱殼段、圓錐殼段殼板變形相同的殼板凹凸度作為分析對象，雖偏于安全，但易于得到經驗類結論，以指導錐—環—柱結合殼的應用。

4 結 論

錐—環—柱結合殼是一種優秀的錐—柱連接結構，具有很高的應用價值。研究錐—環—柱結合殼初始幾何缺陷，可以更精確地分析錐—環—柱結合殼的力學狀態，指導其應用。本文從錐—環—柱結合殼的加工過程出發，分析錐—環—柱結合殼在加工建造過程中初始幾何缺陷可能產生的原因及部位，并對初始幾何缺陷形態進行分析，得到如下結論：

1）錐—環—柱結合殼初始幾何缺陷主要因肋骨與殼板的角焊縫及殼板之間的環焊縫產生；

2）錐—環—柱結合殼初始幾何缺陷主要為肋骨初撓度以及殼板凹凸度，其中肋骨初撓度集中在環殼段兩端的1，2 號肋骨，殼板凹凸度集中在圓柱殼段、圓錐殼段的肋間殼板上；

3）肋骨初撓度形態主要為4，6，8 個半波或其他組合波形，殼板凹凸度可取艙段一階失穩時對應的肋間殼板屈曲形態。

本文論述了錐—環—柱結合殼初始幾何缺陷的主要部位及形態，可為后續分析初始幾何缺陷對錐—環—柱結合殼力學性能的影響提供基礎，并對實艇錐—環—柱結合殼加工建造階段控制加工精度有指導作用。

［1］黃加強，郭日修. 加肋錐-環-柱組合殼強度及穩定性模型實驗研究［J］.中國造船，1998（4）：57-65.HUANG Jiaqiang，GUO Rixiu. Model experimental re?search on stresses and stability of ring-stiffened cone-toroid-cylinder combined shell［J］. Ship Build?ing of China，1998（4）：57-65.

［2］陳志堅，郭日修. 加肋軸對稱旋轉殼非線性穩定性分析［J］.中國造船，2004，45（1）：54-60.CHEN Zhijian，GUO Rixiu. Nonlinear stability analy?sis of ring-stiffened axial symmetrical shell of revolu?tion［J］. Ship Building of China，2004，45（1）：54-60.

［3］白雪飛，陳昕，丁錦超，等. 凹型加肋錐-環-柱結合殼強度的模型試驗研究［J］. 船舶力學，2006，10（2）：65-72.BAI Xuefei，CHEN Xin，DING Jinchao，et al.Experi?mental research of the strength of ring-stiffened con?cave cone-toroid-cylinder combined shell［J］. Journal of Ship Mechanics，2006，10（2）：65-72.

［4］白雪飛，任文敏，郭日修.組合加肋旋轉殼應力和穩定性分析的Riccati傳遞矩陣法［J］.工程力學，2008，25（3）：18-25.BAI Xuefei，REN Wenmin，GUO Rixiu. Stress and stability analysis of ring-stiffened joined revolutionary shell using Riccati transfer matrix method［J］. Engi?neering Mechanics，2008，25（3）：18-25.

［5］郭日修，呂巖松，黃加強，等. 加肋錐-環-柱結合殼試驗研究［J］.船舶力學，2008，12（2）：252-257.GUO Rixiu，LV Yansong，HUANG Jiaqiang，et al.Experimental research on the ring-stiffened cone-to?roid-cylinder combination shell［J］. Journal of Ship Mechanics，2008，12（2）：252-257.

［6］郭日修，呂巖松. 凹型加肋錐-環-柱結合殼局部加強方式的研究［J］. 哈爾濱工程大學學報，2010，31（2）：170-176.GUO Rixiu，LV Yansong. Research on local strength?ening modes for ring-stiffened concave cone-to?roid-cylinder combination shells［J］. Journal of Harbin Engineering University，2010，31（2）：170-176.

［7］呂巖松，郭日修.含凸、凹型加肋錐-環-柱結合殼的連接結構試驗研究［J］.哈爾濱工程大學學報，2011，32（9）：1140-1143.LV Yansong，GUO Rixiu. Experimental research on ring-stiffened convex and concave cone-toroid-cylin?der combination shell［J］. Journal of Harbin Engineer?ing University，2011，32（9）：1140-1143.

［8］白旭. 潛艇球形殼體結構性能研究［D］. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2011.

［9］鄭衍雙，陸正福，張定武.均勻外壓下有幾何缺陷球殼的破壞壓力［J］.中國造船，1986（1）：48-58.ZHENG Yanshuang，LU Zhengfu，ZHANG Dingwu.Collapse pressure of spherical shells with initial imper?fection under uniform pressure［J］. Ship Building of China，1986（1）：48-58.

［10］陳宏湛，沈成康.組合圓柱殼靜態屈曲的幾個影響因素分析［J］.力學季刊，2001，22（2）：210-215.CHEN Hongzhan，SHEN Chengkang. Analysis of sev?eral influencing factors of static buckling for com?bined cylindrical shell［J］. Chinese Quarterly of Me?chanics，2001，22（2）：210-215.

［11］王仁華，俞銘華，李良碧，等.初始缺陷對深海載人潛水器耐壓球殼塑性穩定性影響［J］. 海洋工程，2005，23（4）：111-115.WANG Renhua，YU Minghua，LI Liangbi，et al. In?fluence of initial deflection on plastic stability of manned deep-sea submersible's pressure sphere hull［J］.The Ocean Engineering，2005，23（4）：111-115.

［12］孟聞遠，王志良，李秀芹. 任意初始幾何缺陷薄殼的非線性幾何方程［J］. 水利學報，1995（3）：62-69.MENG Wenyuan，WANG Zhiliang，LI Xiuqin. The nonlinear geometrical equations for thin shell with ar?bitrary initial imperfections［J］. Journal of Hydraulic Engineering，1995（3）：62-69.

［13］中國船舶工業總公司.GJB/Z 21A-2001 潛艇結構設計計算方法［S］. 北京：國防工業技術委員會，2001.