千島湖10客位觀光潛艇強度分析

儲泉松（南京新華日報社，南京，210092）

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千島湖10客位觀光潛艇強度分析

儲泉松
（南京新華日報社，南京，210092）

摘要：作為現代潛艇的一個分支，觀光潛艇與完備的現代潛艇具有共同的技術基礎。同時由于觀光潛艇以游客為主，對于潛艇的安全性和可靠性有更高的要求。本文對一艘航行于千島湖的10客位觀光潛艇進行了概念設計，參考合適的母型船，確定了觀光潛艇的主尺度，建立了觀光潛艇的三維模型，基于Abaqus對潛艇的耐壓結構進行了強度校核，本文為觀光潛艇的強度分析提供了技術參考。

關鍵詞：觀光潛艇；仿真；強度；有限元

0 引言

隨著社會的發展與人民生活水平的提高，水下旅游正在興起。觀光潛艇具有觀察直接、利潤大等特點，，目前的研究越來越引起人們的重視。千島湖位于浙江淳安，這里有我國規模最大、最完備的水下古建筑群供游人參觀。因此，研究合適的水下觀光潛艇，對千島湖水下景點價值的實現具有重要意義。

觀光潛艇目前具有廣闊的市場前景。我國具有廣闊的海洋，海南島、西沙群島、青島、大連等地都是發展水下旅游的黃金水域。當地政府為了振興經濟，紛紛瞄準水下旅游這一商機，在此時期，對觀光潛艇的設計與研究具有重要的價值。

由于觀光潛艇以游客為主，對安全性和可靠性有著更高的要求，因此，強度校核成為觀光潛艇設計中的首要任務，有限元法的出現，使傳統的傳播結構力學方法及結構強度計算方法發生了根本變革。過去手工計算方法不能解決的問題，用有限元法迎刃而解。

1 潛艇主尺度的確定

1.1 潛艇主尺度的確定原則

千島湖10客位觀光潛艇是專門為旅游業設計的可容納10名乘客的潛艇。潛艇的設計滿足CCS潛水系統和潛水器入級與建造規范嚴格要求。它的特點是通過在水線以上使用成型的玻璃纖維柱架，使該艇具有流線型水動力形狀。潛艇耐壓殼的主尺度首先要滿足重浮力平衡。經過對整個潛艇的設備初步布置及潛艇的重浮力估算，考慮到潛艇的潛浮性能、總排水量、成員人數、最大航速等基本參數，參考母型艇，同時保證乘客有足夠的舒適空間，確定潛艇的主要尺寸。

1.2 外殼結構設計

耐壓艇體是船舶承受海水壓力的那一部分。觀光潛艇型線圖如圖2.1所示，外殼結構由三部分組成，即艏部、艉部和平行舯體。潛艇下潛極限深度初步設定為H=75米，艇體總長度為L=7米，最大截面處直徑D=1.8米。

艏部為球體體的一半，半徑為900mm；

舯部為平行舯體，長度L2=3500mm；

艉部為橢圓體的一半，長半軸L2=2600mm，短半軸為900mm。

1.3 外殼厚度計算

外殼分為三部分，即艏部外殼、平行舯體部外殼和艉部外殼。與艏艉部外殼受力比較可知，舯體部位的外殼最容易產生變形破壞。因此要計算整個潛艇外殼的厚度，只需計算平行舯體部分的外殼厚度。

其中，p代表最大工作壓力，單位為Mpa；

D0 代表殼體內徑，單位為mm；

［σ］代表許用應力，單位為N/mm2；

潛艇采用屈服極限為340Mpa的Q345R鋼，其許用應力為189Mpa，帶入求得厚度為5.27mm.設計厚度6mm。

2 耐壓殼體強度校核

2.1 半球形封頭強度校核

問題描述：半球形封頭中間開孔，用于安裝駕駛員觀察窗，孔直徑為300mm，賦予截面屬性E=2.1*105MPa，泊松比0.3，約束半球形封頭與平行舯體連接處的自由度，外表面施加P=ρgh=1.1025MPa的均布載荷，劃分節點數為1449的網格，提交作業分析，得到應力云紋圖如圖2.1所示。

圖2.1 半球形封頭應力云紋圖

部分應力最大處結果如表3.1所示。

表2.1 應力最大處結果

由圖2.1和表2.1可知，應力最大處出現在與平行舯體連接處及前方開口處，最大值為161.244＜0.85σs=289MPa，滿足強度要求。

2.2 平行舯體強度校核

問題描述：圓筒形耐壓殼體采用環向肋骨加強，肋骨采用6號球扁鋼，肋骨間距為700mm， 賦予截面屬性E=2.1*105MPa，泊松比0.3，約束半球形封頭與平行舯體連接處的自由度，外表面施加P=ρgh=1.1025MPa的均布載荷，劃分9831個網格，提交作業分析，得到應力云紋圖如圖2.2所示。

圖2.2 平行舯體應力云紋圖

部分應力最大處結果如表2.2所示。

表2.2 應力最大處結果

由圖2.2和表2.2可知，應力最大處出現在與平行舯體連接處及前方開口處，最大值為198.376MPa＜0.85σs=289MPa，滿足強度要求。

為了安裝乘客觀察窗，需要對耐壓殼體進行開孔，孔的直徑為300mm， 有10個乘客觀察孔，每個觀察孔可供一名游客觀察，每個觀察孔是一個鍛件，經過機械加工具有向外錐型的開口、向外錐型角度60度。窗子有平的不變形的面和一個60度的匹配圓錐角，在安裝窗子期間，一薄層不漏氣油脂涂在密封面上，不用O型圈或其他密封。透明的保護罩保護它們內側不損壞。觀察窗采用A60級船用防火玻璃（圖2.3），主要參數如表2.3所示：

表2.3 觀察窗玻璃參數

圖2.3 觀察窗

開孔后耐壓殼體模型如圖2.4所示。

圖2.4 耐壓殼體模型

2.3 半橢球型艇尾強度校核

問題描述：半橢球形艇艉截面屬性E=2.1*105MPa，泊松比0.3，約束半橢球形艇艉與平行舯體連接處的自由度，外表面施加P=ρgh=1.1025MPa的均布載荷，劃分3015個網格，提交作業分析，得到應力云紋圖如圖2.4所示。

圖2.5 半橢球形艇艉應力云紋圖

部分應力最大處結果如表2.4所示。

表2.4 應力最大處結果

由圖2.5和表2.4可知，應力最大處出現在與平行舯體連接處，最大值為287.572MPa＜0.85σs=289MPa，滿足強度要求。

3 結論

本文根據千島湖水下觀光需求，依據相關規范，對千島湖10客位觀光潛艇進行了主尺度設計，基于Abaqus對潛艇耐壓殼體進行了強度校核，得出以下結論：

1.我國海洋廣闊，觀光潛艇具有廣闊的發展前景，本文為觀光潛艇強度計算提供了技術參考。

2.現代潛艇耐壓殼體往往采用同一種鋼材，而觀光潛艇需要對耐壓船體進行開孔以便安裝乘客觀察窗，本文在半球形封頭部分進行了開孔處理，在平行舯體部分對觀察窗材料進行了選擇。

3.由圖3.2可知，平行舯體與艇艏及艇艉連接處形變量明顯大于中間部分，說明在有限元分析中，局部分析與整船分析有一定的誤差，誤差的來源以及如何改進為以后的研究指明了方向。

4.由圖3.4和表3.4可知，半橢球型艇尾強度雖然滿足要求，但與平行舯體連接處出現了應力集中，在以后的結構設計中應當加以改進，例如用肋骨加強。

參考文獻

［1］張福民，南海水下觀光潛艇項目評價［J］，船舶設計通訊.1995（5）︰12-17P.

［2］朱錫，吳梵.艦艇強度［M］.北京：國防工業出版社，2005︰106P.

［3］段延峰.微型觀光潛艇殼體系統研究［D］.哈爾濱︰哈爾濱工程大學，2011.

［4］劉淮.韓國建造的旅游觀光潛艇［J］.船舶物資與市場，1999，6（3）︰20-25P.

［5］趙婷婷.駕著個人潛艇到深海旅行［EB/OL］.http︰//www. trends.com.cn/travel/international/2011-08/347126. shtml，2011-08-16/2013-06-05.

［6］GB/T 7714-1996，CCS潛水系統和潛水器入級與建造規范

［S］.北京︰人民交通出版社，1996.

［7］G Gerard. Ship structure detail design［J］. Journal of Ship Research，1961，5（8）44-49P.

［8］郭鳳芹，徐開新 我國觀光潛艇發展中遇到的困難及解決辦法［J］ 商業文化 2014 12︰ 20-25P

［9］陳濤.微型觀光潛艇十字舵系統研究［D］哈爾濱工程大學2010 12︰ 12-19P

［10］董洪川 微型觀光潛艇液壓系統研究［D］哈爾濱工程大學2010 12︰ 18-23P

Analysis on the intension of 10-seats tour submarine in Qian Dao Lake

Chu Quansong
（the XinHua News Agency，NanJing，210092）

Abstract：With the development of society and the improvement of people’s living standards，tourism in water is on the rise.As the most direct way of underwater sightseeing tourism，the research and development of tourism submarine are attracting more and more attention.At present，China’s tourist submarine is still in the initial stage，This paper is to provide a technical reference for the strength analysis for tourist submarine.

Keywords：tourist submarine；simulation；strength；finite element

中圖分類號：TB21

文獻標識碼：A

文章編號：1006-0707 （2012） xx-xxxx-x

作者簡介

儲泉松（1960-），南京新華日報社，工程師。主要研究方向為飛機、雷達、電子儀表等。