ASME鍋爐及壓力容器規范在潛艇結構中的適用性分析

王慧敏，蔡斯淵，夏益美，王德禹

(1. 上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；2. 高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海 200240；3. 中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200240)

0 引 言

對于潛艇上某些主要承受壓力載荷的結構單元校核以往是采用艦船通用規范[1–2]，與其他部位殼體或艙壁結構設計標準一致。但是考慮到主要承受壓力載荷，所用的建造材料也屬優質材料，所以也可以采用壓力容器規范設計校核，即ASME規范[3]。但滿足艦船通用規范的設計是否滿足ASME規范仍需進一步探究。

ASME規范提供對鍋爐及壓力容器設計、制造和檢驗質量進行控制的有關規則，于1914年正式頒發。壓力容器分析設計方法（簡稱分析設計）最早頒布于1965年美國鍋爐及壓力容器規范ASME III“核裝置部件的構造規則”中，與常規設計共同構成了核壓力容器的設計校核[3]。對于核一級設備強制使用分析設計，對于其他設備不做強制性規定。常規設計是以彈性設計為基礎，只涉及一種失效模式的設計方法，但是在某些幾何或者載荷不連續處，會出現高應力區。當局部應力達到材料的屈服極限時，結構大部分區域仍處于彈性狀態，已經屈服的局部區域，受周圍彈性區的影響，其變形量也不可能進一步增長，因而不會引起整個結構的失效[4]。分析設計一定程度上彌補了常規設計的不足。分析設計方法的核心思想是允許在壓力容器及其部件中出現少量的、且能保持結構完整性的局部塑形變形，但不允許出現過量的整體塑形流動或循環塑形變形[6]。分析設計方法是以部件詳細的彈性或彈塑性應力數值分析結果為基礎的。分析設計較常規設計，將應力進行分類，對幾何或者載荷不連續處的結構應力與其他地方的應力分別校核，這樣可以使整個結構得到充分利用，降低基本安全系數，鑒于使用分析設計的結構材料均為延性較好的優質材料，且內部缺陷少，所以分析設計將應力進行分類校核是合理的。

本文主要采用2004版ASME規范第III卷MC級部件分析設計的具體要求對潛艇的平面艙壁結構進行設計校核，并通過與艦船通用規范結果進行對比，說明ASME規范在潛艇結構中的適用性。

1 規范校核標準對比

1.1 ASME規范

2004版ASME規范第III卷MC級部件分析設計的具體要求如表1所示。將結構應力進行分類，不同應力類型采用不同的標準進行校核。對于一個結構，首先，需要根據應力產生的原因將各個部分的應力分為一次總體薄膜應力Pm，一次局部薄膜應力PL，一次彎曲應力Pb和二次應力Q；然后選取應力校核線，根據有限元數值模擬或其他方法的結果沿著校核線得到各應力數值大小；最后再利用規范進行校核是否滿足要求。

一次應力，即基本應力，它是為了平衡壓力與其他機械載荷所必須的應力，對容器失效影響最大。一次應力沒有自限性，當載荷增加時，它必須隨之成比例增加，一旦平衡不了外載荷，就意味著結構破壞了，如何識別一次應力是應力分類的關鍵問題。而二次應力是為滿足外部約束條件或結構自身變形連續要求所必須的應力，它對容器的危害性是第2位的。二次應力具有自限性，由于一次應力控制在彈性范圍內，如果二次應力超過屈服強度以后，產生了局部塑形變形，一旦這種變形彌補了一次應力引起的彈性變形不連續性，變形協調要求得以滿足，塑性變形就會自動停止，不再發展[4]。

模仿ASME規范中容器應力分類的典型實例，列出了固支邊界的加筋板典型應力分類，如表2所示。對于一個四周固定的加筋板，周邊固支約束是有利約束，故將邊界約束在整個結構中引起的應力劃分為一次應力。

表 1 ASME規范分析設計要求Tab. 1 Requirements of design by analysis in ASME Code

表 2 加筋板結構中典型應力分類Tab. 2 Typical stress classifications of stiffened plate

1.2 艦船通用規范

2000年發布并實施的GJB 4000-2000艦船通用標準1組船體結構102.4.2.1.5中描述了潛艇端部平面艙壁的結構需用應力和穩定性校核要求，查看更為詳盡的潛艇結構設計計算方法規范GJB/Z 21A-2001中的要求如下所述。

1）艙壁板：均作為四邊剛性固定的彈性矩形板，其最大彎曲應力在長邊中點，數值按公式計算為

其中：K5為應力系數，根據板格長寬比查圖可得；Pc為計算壓力；a，b分別為板格長度和寬度；

數值大小要滿足：

2）構架：構架中的最大彎曲應力和最大剪切應力應滿足艦船通用規范分別對剪切應力和彎曲應力進行校核，而2004版ASME規范采用第三強度理論，分別對一次應力與二次應力進行校核。后者因將應力分類校核而使整個結構得到了更充分的利用，但應力分類不明確時應慎用ASME規范。總之，設計者可從設計計算成本、選材、制造、檢測與運輸等多方面考慮，選取經濟適用性高的那一種規范。

2 平面艙壁結構分析

2.1 潛艇端部平面艙壁結構模型

艙壁的主要功能是將潛水器耐壓殼分隔成若干個不同用途的艙室，還可以支撐耐壓殼，提高耐壓殼的失穩壓力。端部艙壁經常受深水壓力，應與耐壓殼體等強度。艙壁按結構型式可分為球面艙壁和平面艙壁，平面艙壁2個側面的承載能力相同，但是主要靠彎曲平衡外載荷，應力分布很不均勻，材料不能充分應用[8]。

本文采用有限元方法計算端部平面艙壁的應力分布，圖1為Abaqus所建平面艙壁模型示意圖。

圖 1 端部平面艙壁有限元幾何模型示意圖Fig. 1 Geometrical model of the bulkhead

如圖所示，艙壁一側有上下2根水平橫梁，另一側有艙壁板加強材分布，整個結構均用板單元模擬，單元大小為80×80 mm，整個模型一共15 418個單元。模型所受的外載荷為垂直于艙壁的壓力載荷，數值大小等于計算壓力；邊界條件取為四邊固支。由于是彈性應力分析，不考慮材料的非線性，材料的彈性模量取為210 GPa，泊松比為0.3。模型受載之后的應力云圖如圖2所示，加強筋處的應力較其他區域相對較高。

2.2 基于ASME規范分析

根據前面的描述，需要首先選取應力校核線，根據表2，在應力強度偏高的地方和板格中央分別進行應力校核，具體位置示意圖如圖3所示。

應力線性化是用一個等效的線性化應力分布代替實際應力分布，該線性化應力即是由沿斷面均勻分布的薄膜應力和沿斷面線性分布的彎曲應力疊加組成，根據合力與合力矩為0的原理就可以分別求出應力校核線對應薄膜應力與彎曲應力數值大小。對于平面彎曲的加強筋與板單元都可以認為彎曲正應力沿高度方向為線性分布，薄膜應力即截面形心處的正應力，上下表面的最大正應力即為薄膜應力與彎曲應力疊加的最大值。如果結構發生的不是平面彎曲，而是帶扭轉的彎曲，則還需根據合力與合力矩為0進一步求解出結果。例如圖4（a）所示截面的加強筋，應力分布為圖4（b）所示，利用合力與合力矩等效的原則得到薄膜應力與彎曲應力計算公式為：

圖 2 艙壁受載應力云圖Fig. 2 The stress fringe of the bulkhead

圖 3 ASME規范應力校核位置示意圖Fig. 3 Locations of vital positions based on ASME Code

圖 4 加強筋截面及應力分布示意圖Fig. 4 Sketch of the stiffener’s cross section and its stress distribution

但是如果截面形狀太復雜，結果就會變得很復雜，這時候可以做近似處理，比如應力分布如圖4（b）的情況，可以近似取A點的應力值為薄膜應力的大小，因為該值在這種情況下肯定大于真實值，可以使結果偏保守，同時提高工作效率。

對于一個結構的應力分布結果，如何進行應力后處理并進行校核根據不同的規范有不同的方式。這里采用的ASME規范將應力分為薄膜應力和彎曲應力，采用第三強度準則進行校核，由于規范適用于壓力容器設計、制造及檢驗，校核對象多為板殼結構，所以對于加筋板結構加強筋處截面的彎曲應力和薄膜應力分類有2種處理方式：1）將帶板與加強筋分開計算中性軸位置；2）與艦船通用規范相同，考慮帶板，將板與加強筋作為一個整體計算中性軸位置；中性軸處的Tresca應力即為薄膜應力強度。整理結果分別如表3～表 6 所示[7]。

2.3 基于GJB 4000-2000分析

結構的應力云圖如圖5所示。板格處的最大彎曲應力：

根據中國鋼船建造規范，若b為骨架的平均間距，l為骨架的跨距，則帶板寬度be的取法如下：

①對于小骨材，即次要構件，如縱骨、肋骨、扶強材等，be=b；

②對于大桁材，即主要構件，如強肋骨、甲板縱桁、船底桁材等，當l≥6b時，be=b，當l≥ 6b時，be=0.3（l2b）1/3：

對于這里的端部平面艙壁，縱向加強筋屬于小骨材，帶板寬度取為其平均間距b；強橫梁屬于大桁材，且l＜6b，帶板寬度取為0.3（l2b）1/3。構架中彎曲應力根據按剛分配準則，應在加強筋處最大，故對應力強度較大的加強筋處進行校核，構架中的最大彎曲應力和最大剪切應力：

2.4 結果分析

ASME規范校核對象多為板殼結構，所以從這個角度考慮，第1種處理方式更加契合ASME規范；其次，從校核結果可以看到，將板與加強筋分開考慮得到的薄膜應力分類結果是高于整體考慮的薄膜應力分類結果，換句話說，第1種方式較第2種方式更為保守，安全系數更高。基于上述2點，這里認為第1種方式較第2種方式，即將加強筋與板分開考慮比加帶板整體考慮，更具有合理性，故采用表2的結果進行后續比較。

2種規范的結果均是結構安全。從ASME規范校核結果可以看出最危險的部位是位置9（見圖3）的縱向加強筋處和位置5（見圖3）的橫向加強筋處，從應力云圖可以看出這些部位也是彎曲正應力和剪應力均較高的位置。從艦船通用規范校核結果來看最危險的部位是位置3（見圖3）的板格長邊中點處和位置6（見圖3）的橫向與縱向加強筋處。導致2個規范危險發生部位有差異的原因可能是艦船通用規范只考慮了一個方向的應力，而ASME規范采用第三強度理論考慮了一個主應力狀態，所以剪應力或者彎曲應力最高處，Tresca應力不一定最高。

表 3 第1種不考慮帶板處理方式的主要應力強度評定匯總表Tab. 3 Main stress intensity accessment of the first way without considering attached plates

不考慮危險發生部位，可以看出板格長邊中點以及縱向加強筋和強橫梁處都是需要進行應力校核的危險部位，不管是ASME規范還是艦船通用規范的結果這些位置的應力值都較高，所以2個規范的結果從整體上而言具有高度一致性。艦船通用規范的危險發生位置處在ASME規范的結果中應力值也偏大，例如：位置6（見圖3）的強橫梁處剪應力最大為317.75 MPa，小于等于336.3 MPa；而在ASME規范中該位置的薄膜應力為432.5 MPa，小于等與590 MPa。

表 4 第1種不考慮帶板處理方式的應力疊加法評定匯總表Tab. 4 Stress superposition method of the first way without considering attached plates

表 5 第2種考慮帶板處理方式的主要應力強度評定匯總表Tab. 5 Main stress intensity accessment of the second way considering attached plates

表 6 第2種考慮帶板處理方式的應力疊加法評定匯總表Tab. 6 Stress superposition method of the second way considering attached plates

圖 5 彎曲應力與剪應力的應力云圖Fig. 5 Stress fringe of the bulkhead

3 結 語

本文針對某平面艙壁結構，分別用ASME規范與艦船通用規范進行分析，以期考察ASME規范在潛艇結構中的適用性。研究表明：

1）對于ASME規范，考慮帶板時的校核分類結果均小于不考慮帶板時加強筋的校核分類結果，即考慮帶板時薄膜應力會小于不考慮帶板時加強筋處的薄膜應力。故今后采用ASME規范校核加筋板結構的強度時，應將板與加強筋分開校核。

2）不管是ASME規范還是艦船通用規范，危險校核部位都一致。加強筋在整個結構中主要承擔彎曲正應力和剪切應力，屬于危險部位校核之一，另外板格長邊中點是板格最大彎曲應力點也屬于危險校核部位之一。

3）從校核結果可以對比看出，ASME規范較艦船通用規范更為嚴格。隨著施加的壓力載荷增大，采用ASME規范校核，結構會先出現破壞。如果以艦船通用規范為一個基準看待強度校核問題，ASME規范在船舶行業使用時可以適當放寬一些標準，具體數值標準還需進一步的研究計算確定。

ASME規范和艦船通用規范結果具有一致性，即ASME規范在潛艇結構中是適用的。潛艇的艙壁結構主要承受壓力載荷，雖然不屬于鍋爐及壓力容器，不過主要也是以薄膜應力加彎曲應力的形式承擔壓力載荷，且結構相對而言較簡單，由加筋板組成，便于應力分類，所以ASME規范在潛艇結構中具有可行性與適用性。不過考慮到船舶行業與鍋爐制造行業的差異，ASME規范的許用應力強度值可以做出適當改變，使ASME規范更加準確的適用于潛艇結構中。其次，潛艇的材料屬于優質材料，初始缺陷較少，延展性較好，為分析設計的應用提供了基礎與保障。

[1]GJB 4000-2000, 1組船體結構[S].

[2]GJB Z21A-2001, 潛艇結構設計計算方法[S].

[3]ASME Boiler and Pressure Vessel Code, BPVC-III Rules for Construction of Nuclear Facility Components Division 1-Subsection NE [S].

[4]李建國. 壓力容器設計的力學基礎及其標準應用[M]. 北京:機械工業出版社, 2001: 171–210.

[5]JB 4732-1995, 鋼制壓力容器——分析校核標準[S].

[6]陸明萬, 壽比南. 新一代的壓力容器分析設計規范-ASMEⅧ-2 2007 簡介[J]. 壓力容器, 2007, 24(9): 42–47.

[7]欒春遠. 壓力容器 ANSYS 分析與強度計算[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2008.

[8]施德培, 李長春. 潛水器結構強度[M]. 上海: 上海交通大學出版社, 1991.