潛艇環(huán)殼過渡段與非耐壓殼連接處的結(jié)構(gòu)設(shè)計

黃加強，荊騰

(1.海裝駐武漢軍代表局某部,武漢 430064；2.中國人民解放軍91278部隊,遼寧 大連 116041)

潛艇耐壓船體在設(shè)計過程中，需在潛艇的凸型加肋錐-環(huán)-錐結(jié)合殼的環(huán)殼過渡段與非耐壓殼之間布置縱向構(gòu)件以用于其他填充材料的固定。其中，錐-環(huán)-錐結(jié)構(gòu)源于凸型錐-環(huán)-柱結(jié)構(gòu)[1-2]，是一種當潛艇耐壓殼體采用2個不同錐角的加肋圓錐殼相連接時，在2圓錐殼的過渡處亦采用環(huán)殼進行過渡的結(jié)構(gòu)形式，用以解決結(jié)合部位母線存在較大折角使過渡處產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中問題。含有縱向構(gòu)件的整個艙段結(jié)構(gòu)見圖1，其中縱向構(gòu)件一端連接在耐壓殼與非耐壓殼末端相交處，一端連接于在環(huán)殼上布置的一條環(huán)向構(gòu)件上，環(huán)殼過渡段與非耐壓殼連接處的橫、縱剖面見圖2。

圖1 含縱向構(gòu)件的潛艇錐-環(huán)-錐連接結(jié)構(gòu)示意

圖2 錐-環(huán)-錐結(jié)構(gòu)中的縱向構(gòu)件剖面示意

對于在潛艇耐壓船體上布置縱向結(jié)構(gòu)，以往的研究對象主要有在錐-柱結(jié)合處采用的縱筋加強結(jié)構(gòu)或是在圓柱形耐壓船體上布置的縱骨結(jié)構(gòu)。縱筋加強結(jié)構(gòu)力學(xué)行為特殊，會使結(jié)合殼在縱向構(gòu)件端部和根部產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中點，是一種不良的結(jié)構(gòu)形式[3]；同時，布置在耐壓殼體上的縱骨雖然可以提高殼體沿縱向上的剛度，進一步提高耐壓船體的總穩(wěn)定性及承載力[4]，但縱骨的存在破壞了耐壓船體的軸對稱性，從而使耐壓船體截面上的應(yīng)力沿周方向發(fā)生大幅變化，即在縱骨處出現(xiàn)較大的彎曲應(yīng)力，出現(xiàn)應(yīng)力集中點，而這些應(yīng)力集中點是耐壓船體引發(fā)疲勞裂紋的源點，在潛艇反復(fù)上浮、下潛過程中容易出現(xiàn)殼體的疲勞破壞，對潛艇的安全使用帶來隱患[5]。以上兩種結(jié)構(gòu)形式因存在不利影響一般已不被采用。本文所述縱向構(gòu)件與上述縱筋或縱骨同屬于在承受外壓的耐壓殼體上布置的縱向結(jié)構(gòu)，但作用的對象由耐壓殼上的錐柱結(jié)合處或圓柱殼變?yōu)殄F-錐過渡段之間的環(huán)殼，類比以上結(jié)構(gòu)，在環(huán)殼過渡段布置縱向構(gòu)件可能會對過渡段帶來類似的不利影響。由于其他設(shè)計考慮不得不采用這種縱向結(jié)構(gòu)時，如何消除其帶來的不利影響成為了亟待解決的問題。為此，考慮采用ANSYS仿真分析布置縱向構(gòu)件對耐壓殼體環(huán)殼過渡段力學(xué)性能的影響，提出縱向構(gòu)件不與耐壓殼直接相連的新型結(jié)構(gòu)形式。

1 結(jié)構(gòu)計算模型

殼體、肋骨、縱向構(gòu)件及其環(huán)向連接結(jié)構(gòu)均采用ANSYS中的shell181單元，相關(guān)參數(shù)如下。

彈性模量E=2.1×105MPa；

泊松比μ=0.3,σs=785 MPa；

R1/R2=0.701，環(huán)殼半徑a/R2=2 025.34；

左、右側(cè)錐角分別為γ1=20°，γ2=4.4°；

肋骨間距l(xiāng)/R2=0.296；

耐壓殼厚度t1/R2=0.018 8,t2/R2=0.016 9。

沿環(huán)向每隔20°布置一條縱向構(gòu)件，縱向構(gòu)件左側(cè)高h1/R2=0.014 1,右側(cè)高h2/R2=0.040 5，厚度t/R2=0.016 9,用于連接的兩側(cè)環(huán)向構(gòu)件板厚t/R2=0.018 8。有限元模型見圖3。

圖3 有限元模型

2 縱向連接結(jié)構(gòu)對環(huán)殼過渡段結(jié)構(gòu)強度的影響

在環(huán)殼過渡段與非耐壓殼之間不同布置形式的結(jié)構(gòu)模型，其結(jié)構(gòu)特點見表1。

表1 不同結(jié)構(gòu)布置特點

模型一～三耐壓殼體各典型應(yīng)力沿軸向的分布見圖4。其中環(huán)殼過渡段為1 200～1 800 mm，縱向構(gòu)件布置在1 200～1 690 mm之間，其中1、2、3點分別代表在過渡段上縱向構(gòu)件中部、環(huán)殼中部、縱向構(gòu)件末端這3個點。

圖4 錐-環(huán)-錐結(jié)構(gòu)各模型典型應(yīng)力沿軸向的分布

由圖4可看出：①由模型一、二對比可知，在環(huán)殼段內(nèi)布置環(huán)向構(gòu)件后使各典型應(yīng)力沿軸向的分布發(fā)生了變化，在環(huán)殼上布置環(huán)向構(gòu)件后各典型應(yīng)力在其附近有明顯的下降，同時布置環(huán)向構(gòu)件降低了整個環(huán)殼段內(nèi)的中面環(huán)向應(yīng)力和半個環(huán)殼段內(nèi)的外表面縱向應(yīng)力，但會使內(nèi)表面縱向應(yīng)力在一定范圍內(nèi)有所增加。布置環(huán)向構(gòu)件后，環(huán)殼段內(nèi)縱向應(yīng)力的極值點由原本的環(huán)殼中部過渡到環(huán)殼左端肋骨與環(huán)向構(gòu)件的中部。②對比模型二和模型三中的縱向構(gòu)件處的應(yīng)力分布可知，布置縱向構(gòu)件后，環(huán)殼段內(nèi)各典型應(yīng)力在布置縱向構(gòu)件處都有了明顯的下降。相比于模型二，模型三在縱向構(gòu)件的末端處中面環(huán)向應(yīng)力和內(nèi)表面縱向應(yīng)力的波動幅度更大，說明布置縱向構(gòu)件會造成耐壓殼殼板在縱向構(gòu)件末端處沿軸向的應(yīng)力集中。③模型二和模型三中的縱向構(gòu)件跨中處各應(yīng)力分布曲線基本保持一致，說明布置縱向構(gòu)件對縱向構(gòu)件跨中處的殼板強度影響很小。對比模型三中的縱向構(gòu)件處及縱向構(gòu)件跨中處應(yīng)力分布發(fā)現(xiàn)，在布置縱向構(gòu)件的整個范圍內(nèi)環(huán)殼段在縱向構(gòu)件跨中處和縱向構(gòu)件處各應(yīng)力都保持著較大的差值。其中，縱向構(gòu)件處與縱向構(gòu)件跨中處的中面環(huán)向應(yīng)力差值最大處在環(huán)殼左側(cè)跨端附近1 260 mm處，外表面縱向應(yīng)力差值最大處在縱向構(gòu)件中部，內(nèi)表面縱向應(yīng)力差值處在縱向構(gòu)件末端左側(cè)附近1 630 mm處。

在環(huán)殼段內(nèi)取縱向構(gòu)件與縱向構(gòu)件跨中處各典型應(yīng)力差值最大的點，得到模型二和模型三各點處典型應(yīng)力沿環(huán)向的分布見圖5。

圖5 相應(yīng)點各典型應(yīng)力沿環(huán)向的分布

由圖5可知，結(jié)構(gòu)未布置縱向構(gòu)件時，各典型應(yīng)力沿環(huán)向固定不變。在布置縱向構(gòu)件后，錐-環(huán)-錐各控制點典型應(yīng)力沿環(huán)向在縱向構(gòu)件處與縱向構(gòu)件跨中處往復(fù)波動，各典型應(yīng)力在縱向構(gòu)件附近急劇下降，在18個縱向構(gòu)件處出現(xiàn)了18個最小峰值。可見，布置縱向構(gòu)件對降低縱向構(gòu)件跨中處殼板應(yīng)力的影響遠小于縱向構(gòu)件處，從而造成各典型應(yīng)力沿環(huán)向發(fā)生大幅度周期性波動，在環(huán)殼上布置縱向構(gòu)件出現(xiàn)了類似布置縱筋加強或縱骨結(jié)構(gòu)形式給耐壓殼體帶來的問題。

3 連接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

在耐壓殼體環(huán)殼過渡段外側(cè)另布置一層板殼用以連接縱向構(gòu)件底端，其兩端連接于用于連接縱向構(gòu)件的環(huán)向筋上，然后將縱向構(gòu)件構(gòu)件連接于非耐壓殼板與該殼板之間，從而避免縱向構(gòu)件直接與耐壓殼相連，見圖6。

圖6 縱向構(gòu)件結(jié)構(gòu)縱、橫剖面示意

附加連接板厚10 mm,與耐壓殼間隔10 mm,保持縱向構(gòu)件與艙段所有尺寸不變，建立含有上述連接形式的結(jié)構(gòu)模型，即模型四。模型二與模型四各典型應(yīng)力沿軸向的分布，見圖7。

圖7 模型二、四各典型應(yīng)力沿軸向的分布

由圖7可見，模型四環(huán)殼段在布置縱筋的范圍內(nèi)縱向構(gòu)件與縱向構(gòu)件的跨中處應(yīng)力水平沿軸向基本保持一致，說明采用這種類型結(jié)構(gòu)后環(huán)殼段各典型應(yīng)力基本不再發(fā)生沿環(huán)向的波動，相比模型二無縱向構(gòu)件時的錐-環(huán)-錐結(jié)構(gòu)，內(nèi)表面縱向應(yīng)力在縱向構(gòu)件布置范圍內(nèi)有一定幅度的下降；同時這種布置形式還沒有產(chǎn)生在模型三中出現(xiàn)的因布置縱向構(gòu)件而造成的耐壓殼殼板在縱向構(gòu)件端部處沿軸向上的應(yīng)力集中。說明采用這種布置形式有效解決了布置縱向帶來的耐壓殼上的應(yīng)力集中問題。

為了確保因額外布置一層附加連接板不會給船體帶來過多重量上的負擔，現(xiàn)取不同的附加連接板的厚度建立系列模型，計算得到附加板不同厚度時附加連接板和縱向構(gòu)件的應(yīng)力，見表2。

表2 不同附加連接板厚度的縱向構(gòu)件應(yīng)力

由表2可見,由于縱向構(gòu)件與附加連接板均不與耐壓殼直接相連，附加連接板與縱向構(gòu)件本身的應(yīng)力水平較低，說明這種形式的結(jié)構(gòu)對附加板的板厚要求較低，由此所需增加的潛艇重量較小，采用這種布置形式來解決縱向構(gòu)件帶來的應(yīng)力集中問題是可行的。

4 結(jié)論

1)在過渡段布置縱向構(gòu)件破壞了旋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)環(huán)向的軸對稱性，改變了過渡段殼板周向無矩的應(yīng)力狀態(tài)，使殼體在縱向構(gòu)件附近產(chǎn)生了較高的縱向彎曲應(yīng)力，破壞了在均布靜水壓力作用下環(huán)肋圓柱殼體變形的均勻性，整個縱向構(gòu)件區(qū)域內(nèi)的過渡段結(jié)構(gòu)應(yīng)力沿環(huán)向成周期性波動，雖能降低縱向構(gòu)件附近處的應(yīng)力，但會造成殼板在縱向構(gòu)件處的應(yīng)力集中，結(jié)構(gòu)易在布置縱向構(gòu)件附近處的應(yīng)力集中點發(fā)生疲勞破壞。

2)采用在縱向構(gòu)件和環(huán)殼之間加一層附加板使縱向構(gòu)件不在環(huán)殼上生根的這種結(jié)構(gòu)形式可保持結(jié)構(gòu)環(huán)向的對稱性和一致性，環(huán)殼殼板的應(yīng)力沿環(huán)向波動幅度很小，可有效解決因布置縱向構(gòu)件殼板沿環(huán)向在縱向構(gòu)件處產(chǎn)生的應(yīng)力集中和沿軸向在縱向構(gòu)件末端處產(chǎn)生的應(yīng)力集中問題。同時，該結(jié)構(gòu)形式對所需附加的連接板板厚要求很低，所需犧牲的重量代價較小。因此，當需要在環(huán)殼過渡段布置縱向構(gòu)件時，該結(jié)構(gòu)形式是很好的選擇。