北極低溫下潛艇舵桿機械性能分析與改進

陳思余，郭文勇，余 麗，龐凱元

(海軍工程大學 動力工程學院, 湖北 武漢 430000)

0 引 言

由于北極對于我國重要的地緣戰略地位，極地不僅具有巨大的經濟價值，還具有非常重要的軍事價值[1]。相較于溫區潛艇的工作環境，北極地區自然條件更為惡劣，常年被冰雪覆蓋，溫度較低，這些極端工況對極地地區服役的潛艇提出了更高的要求。

北極多霧，能見度較低，航道曲折蜿蜒，且隨海冰運動變化，潛艇在北極水面航行時，需要經常改變航向以利用冰間水道和薄冰區。冰區航行時潛艇速度較低，舵效降低，潛艇轉向變得遲鈍[2]。潛艇上浮后主要依賴尾舵進行升降、轉向，尾舵桿機構位于耐壓殼外、非耐壓殼內的非水密區。與耐壓殼內不同，舵桿機構將直接暴露在極地環境中。對比溫區、熱帶的航行環境，北極低溫、碎冰區航行等特殊工況將對潛艇舵桿機構機械性能帶來極大考驗，甚至存在舵桿拉斷的風險。

本文以某型潛艇舵桿機構為例，通過Solidworks軟件建立舵桿機構的三維模型。在–60°C ～ –10°C 的條件下使用Ansys Workbench 靜態結構模塊對導向拉桿構件進行靜力學分析，根據仿真計算結果以及潛艇實際條件提出改進方案。

1 潛艇舵桿機構原理

潛艇舵裝置用于控制潛艇的姿態和方向，由舵桿機構和液壓舵機組成。北極海域不僅常年低溫，而且存在大面積的浮冰，潛艇被迫頻繁上浮、下潛、改變航向，這對潛艇舵桿機構的機械性能提出了更高的要求。

1.1 潛艇方向舵

潛艇方向舵用于在水上和水下保持航向和改變航向。潛艇方向舵舵葉位于潛艇尾部，單舵葉結構，上、下端通過舵軸安裝在舵軸軸承內部，下端用軸安裝于舵根上。其作用是通過舵葉向左或向右擺動，使舵葉表面承受動水壓力，產生舵力，及使潛艇向左或向右的旋轉力矩，達到控制潛艇航向的目的。驅動方向舵舵葉則需要方向舵桿機構（見圖1（a））實現。在耐壓殼內的液壓舵機對傳動桿施加軸向推、拉力，力通過導向裝置傳遞至導向拉桿，拉桿帶動舵柄轉動，實現舵葉轉向。

圖1 潛艇舵桿機構Fig. 1 Submarine rudder stock mechanism

1.2 潛艇尾升降舵

潛艇尾升降舵的作用是在潛艇水下航行時與首升降舵一起保持或改變潛艇的深度。在水面航行時，尾升降舵用于驅動潛艇下潛。

潛艇尾升降舵是平衡式非水密舵，整體位于潛艇尾部，雙舵葉梯形結構，用軸連接分別固定在潛艇尾部兩側的水平穩定翼上。尾升降舵舵桿機構（見圖1（b））用于克服舵桿上的力矩進行操舵。舵桿機構的組成類似于方向舵舵機中機構，某些僅是尺寸上的差別。尾升降舵舵桿機構的工作原理也與方向舵類似。

2 低溫對鋼結構的性能影響

舵桿機構是一種典型的鋼結構。潛艇用鋼強度高、均質、塑性、韌性好，但北極低溫會對其力學性能產生影響。低溫會導致材料的屈服強度和極限強度提高；溫度過低會降低材料的韌性，從而造成材料的脆性。

2.1 低溫對鋼結構機械性能的影響

王元清等[3]對結構鋼材進行了低溫下的力學性能試驗。結果表明，鋼材的強度（屈服強度fy和抗拉強度fu）均隨溫度的降低而提高，塑性指標（斷后伸長率 δ和斷面收縮率Ψ）隨溫度的降低而減小，鋼材強度增加會帶來材料的塑性降低，導致材料的冷脆性。

Farraro[4]在研究鋼材彈性模量的溫度依賴性問題時發現，大多數材料的彈性模量在某個溫度范圍內呈線性變化，并提出了線性表達式，用來描述材料在溫度影響下的彈性模量變化。

式中：ERT為室溫下的彈性模量；bTE為彈性模量隨溫度變化的斜率；TRT為 室溫；T為溫度。

目前公開的文獻中，沒有準確的泊松比隨溫度變化的公式。林杰俊[5]對合金鋼40CrNiMoA 在溫度影響下的靜力學常數中構造一個線性公式：

式中： μ0為 溫度為T0時材料的泊松比；λ為泊松比溫度系數。

2.2 鋼材低溫脆性斷裂問題

鋼結構構件的設計在強度上一般是以鋼的屈服強度作為判斷其是否正常工作的力學指標。但是在鋼結構構件發生脆性破壞時，其應力常常很低，一般低于鋼的屈服強度有時甚至只有其值的0.2 倍[6]。鋼結構的低溫脆性斷裂特征十分明顯，其裂紋缺陷擴展速度極快、難以控制，并且對裂紋的敏感度顯著提高。由大量夏比沖擊試驗數據可知，隨著溫度的降低，斷裂存在一個韌-脆轉變的過程。然而在我國《鋼結構設計規范》（GB 50017-2017）中沒有明確的對低溫下鋼結構脆斷問題的準確計算方法。王元清[7]提出了低溫冷脆鋼結構構件的簡化設計方法，對無實際裂紋構件采取0 級和1 級的設計，對含實際裂紋的構件采取2 級設計。舵桿機構屬于無實際裂紋構件，其斷裂設計采用與強度設計相同的形式，最大應力為：

式中：f=fu/γu，為抗脆斷強度設計值，參考國外相關規范， γu取 1.3；β 為折減系數。

3 北極環境下潛艇舵桿傳動機構仿真參數設置與結果分析

在組成潛艇舵桿機構的構件中，導向拉桿起到了傳遞舵機力矩的重要作用，以尾升降舵導向拉桿為研究對象進行分析。

3.1 三維模型建立

導向拉桿（見圖2）由拉桿頭、連桿、接頭3 部分構成，連接方式為焊接，在工作時應力主要集中在拉桿與接頭盒拉桿頭的連接部位。為了簡化計算，去除細小的結構部分，將簡化后的模型口導入Ansys Workbench。

圖2 導向拉桿Fig. 2 Guiding pull rod

3.2 仿真參數設置

北極海區在冬季平均溫度在–40°C～–40°C，在極端情況下可達–70°C，夏季也多在8°C 以下，所以本次仿真溫度設定為–60°C～–10°C。在材料屬性中定義導向拉桿中拉桿頭和接頭材料為925A，拉桿材料為20，力學性能隨溫度變化如圖3 所示。

圖3 力學性能隨溫度變化曲線Fig. 3 Variation curve of mechanical properties with temperature

選擇自動劃分法對導向拉桿進行網格劃分，設置分辨率為7，共生成節點27 397 個，單元15 496 個。網格劃分效果如圖4 所示。

圖4 網格劃分效果Fig. 4 Meshing Effect

導向拉桿通過傳遞舵機方向的推、拉力推動連接桿，連接桿兩端連接左、右舵柄，舵柄帶動舵軸、舵葉實現潛艇的升降。添加–16°C～–10°C的條件進行靜力學分析。在拉桿頭與連接桿接觸的圓柱面添加圓柱形約束，接頭添加500 kN 的拉力，如圖5 所示。

圖5 邊界條件設置Fig. 5 Boundary condition setting

3.3 計算結果與分析

經過Ansys Workbench 計算，得到導向拉桿在-60°C～-10°C 下的受力云圖（見圖6）和最大應力值隨溫度變化曲線（見圖7）。分析云圖和曲線可以看出：

圖6 應力云圖Fig. 6 Stress nephogram

圖7 最大應力值隨溫度變化曲線Fig. 7 Variation curve of maximum stress value with temperature

圖8 導向拉桿局部應力云圖（–60℃）Fig. 8 Local stress nephogram（–60℃）

1）拉桿頭所受平均應力最小；拉桿應力分布兩端大，中段平均；接頭的應力呈階梯式分布。

2）最大應力發生在拉桿頭與拉桿的連接部位（見圖9（a））。

圖9 改進后應力云圖Fig. 9 Improved stress nephogram

3）拉桿所用材料為20，在–60°C 下fu為423 MPa。按照公式（4）的設計方法，取 β值為0.61，得拉桿的許用應力值 [σ]=195.23 MPa。由圖9（b）可知，在–60°C 時拉桿最大應力 σmax=214.23 MPa， σmax＞[σ]，存在“拉斷舵桿”的風險。

4）隨著溫度降低，導向拉桿所受最大應力值呈非線性上升趨勢。

4 改進方案

對于正在服役的潛艇，舵桿機構設計至今已有數十年，結構設計兼顧空間性與實用性，因布置特殊以及受載荷條件等因素的影響，系統靜、動態力學性能較為復雜[8]。因此相對于改變舵桿機構的整體設計，將易發生低溫脆性斷裂的構件進行材料替換使其在低溫下的機械性能增強更容易實現。基于此，提出一種替換材料的改進方案。

拉桿材料為低碳鋼20，其在極端低溫下的力學性能較差。“雪龍2 號”極地考察船結構通常采用特殊鋼（EH36），具備足夠的低溫韌性、強度、可焊接性、疲勞強度等綜合性能[9]。因為EH36 鋼較高的斷裂韌性以及耐低溫的特點，從“雪龍1 號”極地破冰船開始就成為極地破冰船的主要材料，其低溫彈性模量以及屈服強度等參數如表1 所示。

表1 EH36 材料屬性參數Tab. 1 EH36 material property parameters

在原有網格劃分、約束載荷的條件下將EH36 的材料屬性添加到連接部位，再一次進行–60°C ～ –10°C下的靜力學分析，得到的應力云圖如圖9 所示，最大應力值對比曲線如圖10 所示。

圖10 最大應力值對比曲線Fig. 10 Comparison curve of maximum stress value

對比仿真數據可知，導向拉桿在經過材料替換后，最大應力值出現位置仍處于連接部位。在溫度為–20°C～–10°C 時的最大應力基本不變，但是在–60°C～–30°C 時最大應力值平均下降了11.49%，可以說明改進方案改善了舵桿機構的在低溫下的機械性能。

5 結 語

本文建立了潛艇舵桿機構三維模型，并以導向拉桿構件為例，對其–60°C～–10°C 下的靜力學特性進行有限元分析，得到結論如下：

1）在北極低溫條件下，導向拉桿可能存在脆性破壞的位置在拉桿頭與拉桿的連接部位，經過基于鋼結構冷脆性的設計計算，有“舵桿拉斷”的風險。

2）將低溫力學性能較差的低碳鋼 20 替換為極地船用鋼EH36 后，在–60°C～–30°C 時最大應力值平均下降了11.49%，有效提高了其在低溫下的機械性能。

此方法可為北極環境下的艦艇設計、建造改裝、運行維修提供技術支撐。