唐俊娟,司馬燦,張效慈

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心,江蘇無(wú)錫 214082)

0 引言

水下載人平臺(tái)是一種具有載人、運(yùn)載、中轉(zhuǎn)、作戰(zhàn)與補(bǔ)給、海洋資源勘探及開(kāi)發(fā)等諸多功能的新型技術(shù)裝備,其最大特點(diǎn)是擁有一定的耐壓容積且能自航。世界各主要國(guó)家均已大力發(fā)展這項(xiàng)技術(shù),大容積、大潛深的具有高性能的載人平臺(tái)成了各國(guó)研究的熱點(diǎn)。本文研究對(duì)象是具有多耐壓體結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料輕外殼、大容積、大潛深等技術(shù)特點(diǎn)的新型水下載人平臺(tái)。

傳統(tǒng)的水下載人平臺(tái),如潛艇,大都采用單耐壓殼體形式。隨著對(duì)大潛深的不斷追求,目前國(guó)內(nèi)外正在積極地發(fā)展新型的、具有多耐壓殼體的水下載人平臺(tái)。如:美國(guó)的MANTA載人潛器采用了扁平艇型雙層殼體結(jié)構(gòu),耐壓殼體采用多個(gè)交貫連接的球型殼體呈蜂窩狀;前蘇聯(lián)建造的“臺(tái)風(fēng)”級(jí)采用多圓柱殼體。

隨著多殼體耐壓結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展,多殼體耐壓結(jié)構(gòu)外部的連接結(jié)構(gòu)形式成了研究熱點(diǎn)。連接形式直接影響到總體強(qiáng)度、耐壓殼體強(qiáng)度以及輕外殼的強(qiáng)度。這種連接形式屬于新型的結(jié)構(gòu)形式,在設(shè)計(jì)中沒(méi)有母型船以及類似的結(jié)構(gòu)可以參考,也沒(méi)有直接相關(guān)的規(guī)范可遵循,這給力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的難度。

本文以某虛擬水下載人平臺(tái)為研究對(duì)象,提出了耐壓殼外部連接結(jié)構(gòu)形式,介紹了新型結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析方法以及設(shè)計(jì)思路。這些工作為以后對(duì)此結(jié)構(gòu)的深入研究打下了基礎(chǔ)。

1 連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮的主要因素

當(dāng)耐壓殼和輕外殼之間布置的壓載水艙位置以及艙室的劃分確定后,要考慮的主要因素和遵循的一些原則如下:

(1)首先要滿足總布置的要求,在已經(jīng)設(shè)計(jì)好的耐壓結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)外面的連接結(jié)構(gòu)。并要考慮連接結(jié)構(gòu)對(duì)耐壓結(jié)構(gòu)的受力影響,因?yàn)楫?dāng)初耐壓結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是在沒(méi)有外部連接結(jié)構(gòu)的假設(shè)下進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

(2)靜水壓力應(yīng)作為大潛深主要設(shè)計(jì)工況之一。此外,因結(jié)構(gòu)形式比較新,必須考慮在坐墩工況下沒(méi)有規(guī)范和母船可以參考這個(gè)因素。

(3)在分艙處布置實(shí)肋板,實(shí)肋板的一部分作為艙壁,保證其水密性。

(4)實(shí)肋板盡量與耐壓殼里布置的艙壁在同一肋位,以增加強(qiáng)度。

(5)艙壁間布置非水密肋板,在保證強(qiáng)度的前提下盡量開(kāi)孔且使結(jié)構(gòu)盡量輕。

(6)由于平行中體上方的結(jié)構(gòu)采用復(fù)合材料,所以要有與輕外殼連接的連接結(jié)構(gòu),并考慮結(jié)構(gòu)連接的可行性。

2 壓載水艙的設(shè)計(jì)

外部連接結(jié)構(gòu)的材料為 907A鋼,屈服極限為σS1=460MPa。耐壓結(jié)構(gòu)材料為980高強(qiáng)度鋼,屈服極限σS為785MPa。

載人平臺(tái)的壓載水艙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為上部作為甲板,底部作為輕外殼,并把三個(gè)耐壓殼連接起來(lái)。簡(jiǎn)化各個(gè)結(jié)構(gòu),對(duì)壓載水艙的水密圍壁進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。根據(jù)規(guī)范,水艙的計(jì)算壓力取PC=1.25Pt,其中Pt為壓載水艙的試驗(yàn)壓力。壓載水艙的底板、甲板以及水艙之間的艙壁板都按四邊剛性固定的矩形板計(jì)算強(qiáng)度,承受面壓為 1.25Pt,承受均布載荷四邊鋼性固定的矩形板如圖 1所示。壓載水艙的底部雖有一定的曲率,但由于曲率不大,劃分成板格后就可以近似為平板處理。殼板穩(wěn)定性按自由支撐在矩形周界承受橫向載荷的方法計(jì)算。

圖1 承受均布載荷四邊剛性固定的矩形板

根據(jù)邊界條件的不同,將布置在板上肋骨簡(jiǎn)化為各種邊界條件下的受梯形載荷作用的單跨梁,如圖 2所示。其中載荷 q為梁上單位長(zhǎng)度分布載荷的集度,等于計(jì)算壓力PC與載荷作用寬度 l0的乘積; PC與上同;l0是梁間距離;L是梁的跨長(zhǎng);c是梯形載荷的分布尺寸,c=0則為均布載荷。

圖2 受梯形載荷作用的單跨梁

3 靜水壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 艙段設(shè)計(jì)

本文中的載人平臺(tái)極限水深是 560m,耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)安全系數(shù)一般取 1.42,所以在外部連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)也取同樣的系數(shù),以方便分析連接結(jié)構(gòu)對(duì)耐壓結(jié)構(gòu)受力的影響。耐壓結(jié)構(gòu)是三并排圓柱殼,中間是直徑為5m的大圓柱殼,2個(gè)直徑為3.8m的小圓柱殼在大圓柱殼左右兩側(cè)。

計(jì)算分析針對(duì)三種不同艙段結(jié)構(gòu)形式。方案 A是在每檔肋位都設(shè)置肋板,方案 B隔一個(gè)肋位設(shè)置肋板,方案C也是隔一個(gè)肋位設(shè)置肋板,但肋板的結(jié)構(gòu)形式與前兩種不同。分別建立艙段模型,加載求解,通過(guò)計(jì)算結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部?jī)?yōu)化。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步優(yōu)化時(shí)并未采用數(shù)學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,而是通過(guò)計(jì)算多種改進(jìn)的結(jié)構(gòu)形式,最終找到使結(jié)構(gòu)的受力達(dá)到要求的結(jié)構(gòu)形式。例如,在甲板上方對(duì)為減少應(yīng)力集中而設(shè)置的加強(qiáng)板作四種改進(jìn)形式,如圖 3所示,然后逐個(gè)進(jìn)行計(jì)算,最終發(fā)現(xiàn)第二和第三種形式的效果較為理想。對(duì)非水密肋板的開(kāi)孔形式也采取同樣的方法進(jìn)行逐步計(jì)算,最終把開(kāi)孔形式確定下來(lái)。通過(guò)這樣逐步的對(duì)結(jié)構(gòu)的修改,最后定出符合要求的艙段結(jié)構(gòu)。

圖3 四種形式加強(qiáng)板

圖4是典型肋板的等效應(yīng)力圖。由于與耐壓結(jié)構(gòu)連接,少量的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力偏大。對(duì)于整體來(lái)說(shuō),強(qiáng)度是滿足要求的,較大應(yīng)力產(chǎn)生在與大圓柱殼肋骨連接的肋板處。與甲板連接處以及大小圓柱殼連接處是結(jié)構(gòu)比較脆弱的部位。甲板以上肋板主要承受 X方向(艇寬方向)的應(yīng)力,大小圓柱殼連接的中間結(jié)構(gòu)主要承受Y(艇高方向)方向的應(yīng)力。應(yīng)力控制要求為:各個(gè)方向的應(yīng)力都小于屈服極限,等效應(yīng)力小于 1.15倍的屈服極限。在連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),不僅要使所設(shè)計(jì)的連接滿足強(qiáng)度要求,還要保證在連接外部結(jié)構(gòu)后耐壓結(jié)構(gòu)強(qiáng)度同樣是滿足要求的。對(duì)分段連接結(jié)構(gòu)、耐壓結(jié)構(gòu)受力影響是整艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

圖4 典型肋板的等效應(yīng)力圖

所研究的結(jié)構(gòu)中,連接結(jié)構(gòu)在耐壓殼周圍的布置不是軸對(duì)稱的,因此用周向和軸向應(yīng)力來(lái)表征耐壓殼的受力是不夠準(zhǔn)確的。但通過(guò)結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn):無(wú)論采用哪種受力分析,其受力大小相差并不是很大,所以結(jié)構(gòu)中耐壓船體的周向應(yīng)力、軸向應(yīng)力與第三主應(yīng)力、第二主應(yīng)力方向的夾角較小,各種結(jié)果有一定差距但差異不大。為了方便與無(wú)連接結(jié)構(gòu)時(shí)的圓柱殼的受力狀況比較,本文中給出的是耐壓船體的周向和軸向應(yīng)力的分布狀態(tài)。各連接結(jié)構(gòu)對(duì)耐壓結(jié)構(gòu)影響具有相似性,所以下面給出在艙段結(jié)構(gòu) B時(shí)的受力分析結(jié)構(gòu)。應(yīng)力云圖見(jiàn)圖 5和圖 6。

圖5 大圓柱殼中面周向應(yīng)力云圖

圖6 小圓柱殼中面周向應(yīng)力云圖

規(guī)范中對(duì)潛艇耐壓結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度規(guī)定如下:

跨端內(nèi)表面縱向應(yīng)力 σ1≤1.15σS=902.75 MPa;

而等效應(yīng)力一般要小于1.5σS=1 177.5MPa。

從圖 5到圖 8中可以看出各種應(yīng)力的最大計(jì)算值都沒(méi)有超過(guò)現(xiàn)有規(guī)范的要求,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是能夠滿足的。下面從幾方面分析連接結(jié)構(gòu)對(duì)耐壓殼的受力影響。

圖7 圓柱殼內(nèi)表面縱向應(yīng)力云圖

圖8 圓柱殼合應(yīng)力云圖

(1)對(duì)中面周向應(yīng)力分布的影響。通過(guò)圖 5和圖 6可以看出,大小圓柱殼的整體周向應(yīng)力的均勻性還存在,只是在底部縱桁以及與上部甲板連接處局部間斷。為得到跨中中面周向應(yīng)力的具體分布,繪制跨中中面周向應(yīng)力沿圓周的分布圖見(jiàn)圖 9。

圖9 大圓柱(a)和左側(cè)小圓柱殼(b)殼板跨中中面周向應(yīng)力沿周向分布圖

(2)對(duì)縱向應(yīng)力分布的影響。通過(guò)圖7可以看出,縱向應(yīng)力沿圓周總體上還是均勻分布的,在下面縱桁處以及上面與甲板連接處出現(xiàn)局部的間斷點(diǎn),在此間斷點(diǎn)處其縱向應(yīng)力明顯的減少。可見(jiàn)在這些部位布置縱向板使局部的縱向應(yīng)力明顯減小。

(3)對(duì)等效應(yīng)力分布的影響。通過(guò)圖8可以看出,連接結(jié)構(gòu)沒(méi)有嚴(yán)重破壞等效應(yīng)力沿周向的分布,在與甲板連接處以及與縱桁連接處出現(xiàn)沿縱向的分界線。在底部的圓柱殼與底縱桁連接處出現(xiàn)局部的應(yīng)力集中,但應(yīng)力集中處的最大應(yīng)力為853.712MPa,并不嚴(yán)重。在殼體上部與甲板的連接以及舷側(cè)縱桁處局部應(yīng)力明顯比周圍的小一些。

(4)對(duì)肋骨應(yīng)力分布的影響。由于圓柱殼的肋骨應(yīng)力在沿肋骨高度方向是不同的,所以用肋骨在高度方向的平均受力來(lái)體現(xiàn)肋骨的受力狀況。首先求出周向上某點(diǎn)在高度方向的平均應(yīng)力,然后沿周向取一周這樣的點(diǎn),繪制出肋骨平均周向應(yīng)力沿圓周的分布圖,來(lái)判斷肋骨強(qiáng)度是否滿足標(biāo)準(zhǔn)。圖10、圖 11為大小圓柱殼上肋骨平均周向應(yīng)力沿圓周的分布圖。

圖10 大(a)小(b)圓柱殼在帶有肋板的肋位處的肋骨平均周向應(yīng)力沿圓周分布

由圖 10和圖 11可以看出在沒(méi)有肋板的肋位處大圓柱殼的周向應(yīng)力明顯地比帶有肋板處大一些且均勻性也較好,且都在甲板連接處出現(xiàn)較大值。整體上大圓柱殼肋骨應(yīng)力比小圓柱殼的大。從大圓柱殼上的肋骨應(yīng)力圖可以看出,其基本是在 0°～180°之間時(shí)在 90°左右對(duì)稱,在 180°～360°之間時(shí)在270°左右對(duì)稱,這與實(shí)際中大圓柱殼的左右對(duì)稱是相吻合的,且在 0°～180°之間應(yīng)力較 180°～360°之間偏大。

圖11 大(a)小(b)圓柱殼沒(méi)有肋板肋位處的肋骨平均周向應(yīng)力沿圓周分布

按照規(guī)范要求,肋骨的中面周向應(yīng)力要小于0.6σS=471MPa,通過(guò)上面的圖可以看出肋骨應(yīng)力是滿足規(guī)范要求的。所以在方案 B中,在水密肋板以及空檔處的肋骨應(yīng)力都是能夠滿足的。

3.2 整艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和變形協(xié)調(diào)分析

上面對(duì)艙段的三種方案結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了計(jì)算,得出了結(jié)構(gòu)的受力基本規(guī)律。本節(jié)在艙段計(jì)算的基礎(chǔ)上對(duì)整艇進(jìn)行連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),對(duì)整艇進(jìn)行建模分析,最終得到整艇在靜水壓力下的應(yīng)力分布,以及變形協(xié)調(diào)規(guī)律。在整艇的計(jì)算中,分別對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行計(jì)算分析,并對(duì)兩個(gè)方案的連接結(jié)構(gòu)通過(guò)逐步的修改使其滿足強(qiáng)度要求。在連接結(jié)構(gòu)確定下來(lái)后再關(guān)注其對(duì)耐壓結(jié)構(gòu)的影響。由于兩個(gè)結(jié)構(gòu)方案的相似性,下面主要以方案二的計(jì)算結(jié)果作為說(shuō)明。

結(jié)構(gòu)布置總特點(diǎn)為:連接結(jié)構(gòu)由板架組成,主要為縱桁、肋板和甲板。

縱桁共布置 8道,在大圓柱殼和兩個(gè)小圓柱殼上下各一道,在兩小圓柱殼的舷側(cè)各布置一道。首尾處縱桁根據(jù)型線延伸到首尾部構(gòu)成封閉的框架形式。在平行中體處縱桁為板,在首尾處為 T型材。

肋板在平行中體處主要根據(jù)壓載水艙的布置要求來(lái)布置,在壓載水艙的艙壁處布置實(shí)肋板,然后根據(jù)強(qiáng)度要求在適當(dāng)肋位上布置非水密肋板。首尾部則主要根據(jù)各種液艙的結(jié)構(gòu)形式來(lái)布置。肋板為板材加肋骨的板架結(jié)構(gòu)。非水密肋板處開(kāi)人孔和圓形減輕孔。

甲板包括在大小耐壓殼之間布置的甲板和尾部液氧灌上面布置的甲板,甲板與肋板采用板材加肋骨的板架結(jié)構(gòu)相連。

整艇在寬度方向向中心收縮變形的最大距離為6.37mm,比方案一的略小。艇高方向收縮的最大距離為10.92mm,在艇長(zhǎng)方向總收縮距離為25.614 mm,與方案一相當(dāng)接近。從整體來(lái)看結(jié)構(gòu)的變形以及等效應(yīng)力還不是特別大,連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較合理。

圖12為大殼與小殼的中面周向應(yīng)力圖。從圖12中可以看出大小耐壓殼的中面應(yīng)力的分布特點(diǎn)與艙段分析時(shí)的受力特點(diǎn)是類似的。最大應(yīng)力分別小于 0.85倍屈服極限的,所以大殼與小殼的中面周向應(yīng)力都是滿足強(qiáng)度要求的。

圖12 大殼(a)與小殼(b)的中面周向應(yīng)力

圖13為縱向應(yīng)力和等效應(yīng)力圖。從圖13中可以看到,等效應(yīng)力最大值小于1.5σS,符合要求。而有些部位縱向應(yīng)力超過(guò)允許值,在有肋板的部位應(yīng)力明顯地比沒(méi)有肋板的肋位處要大一些,大圓柱殼的應(yīng)力明顯要比小圓柱殼的大,且方案二的應(yīng)力明顯要比方案一的大。在耐壓殼周圍框架約束越強(qiáng)的部位,內(nèi)表面的縱向應(yīng)力越大。為更加清晰表達(dá)其受力的詳細(xì)情況,繪制大圓柱半個(gè)圓周的最大值所在肋位(34號(hào)肋位)的縱向應(yīng)力沿圓周的分布,如圖14所示。

圖13 縱向應(yīng)力(a)和等效應(yīng)力(b)

圖14 縱向應(yīng)力沿圓周的分布和修改后的縱向應(yīng)力分布

從圖 14左圖中可以看出,結(jié)構(gòu)的大部分應(yīng)力值都超過(guò)允許值902.7MPa。這個(gè)問(wèn)題在分段計(jì)算時(shí)不存在,主要是在分段中沒(méi)有把耐壓殼內(nèi)部的艙壁建出來(lái)。而通常在耐壓殼內(nèi)艙壁與耐壓殼連接處要對(duì)耐壓殼局部加強(qiáng)。在艙壁處對(duì)耐壓殼局部加厚15mm時(shí),結(jié)構(gòu)的應(yīng)力可以很明顯下降,如圖 14右圖所示,且都在規(guī)范值以內(nèi),受力趨勢(shì)與原來(lái)的相同,這說(shuō)明加厚局部結(jié)構(gòu)對(duì)控制縱向應(yīng)力是有效的。

結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果表明:在靜水壓力下結(jié)構(gòu)的受力較大,是結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)的主要工況。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)首先針對(duì)靜水壓力艙段計(jì)算,并提出整艇的較合理的結(jié)構(gòu)形式,變形協(xié)調(diào)的分析對(duì)以后全艇復(fù)合材料外殼的連接設(shè)計(jì)具有很重要的意義。

4 坐墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

坐墩載荷分析時(shí)采用全艇有限元方法。在用有限元建模分析時(shí),直接在有支墩的船底加沿艇體高度方向的約束,然后對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析。選用此方法的原因如下:

(1)由于使用模型建造分析方法,如果把墩木逐個(gè)地建造出來(lái),在結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)時(shí)相當(dāng)繁瑣而且對(duì)提高精度并不明顯。并且在方案設(shè)計(jì)階段,墩木的尺寸以及坐墩的位置都是不確定的,所以不把墩木加入也是很有益處的。采用此方法減少了建模的工作量,使問(wèn)題簡(jiǎn)化。

(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要關(guān)心船體的受力情況,使墩木受力不超過(guò)規(guī)定的載荷即可。

(3)這樣建?？梢詼?zhǔn)確地知道在墩木與船體接觸處的反力大小,從而很容易判定墩木的強(qiáng)度是否符合要求。

(4)此方法忽略掉各支墩間的差別,是偏于安全的設(shè)計(jì),適合于方案設(shè)計(jì)階段。

根據(jù)墩木承受的能力,對(duì)坐墩工況設(shè)計(jì),并通過(guò)初步的計(jì)算做調(diào)整使其滿足墩木應(yīng)力要求。通過(guò)與其他國(guó)家艦艇坐墩強(qiáng)度要求的比較,發(fā)現(xiàn)我國(guó)的規(guī)定是偏保守的,所以沒(méi)有完全按照國(guó)家規(guī)范規(guī)定的要求,而是通過(guò)大量的閱讀文獻(xiàn),最終確定在本文研究中墩木布置的要求如下:

①龍骨墩和邊墩各自承受整艇的重量;

②墩木應(yīng)力不超過(guò)2MPa。

表1是四種坐墩工況的墩木分布。在計(jì)算中動(dòng)載荷系數(shù)為 1.25。通過(guò)計(jì)算可以得到此艇在坐墩工況下整艇在各個(gè)方向的位移都較小,應(yīng)力只在肋板底部的局部區(qū)域較大。根據(jù)坐墩強(qiáng)度要求,結(jié)構(gòu)的最大正應(yīng)力σmax要小于0.8σS(368MPa),最大剪應(yīng)力τmax要小于0.4σS(184MPa)。肋板和縱桁的穩(wěn)定性滿足 1.5倍的安全儲(chǔ)備要求。圖 15是典型部位結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力分布圖。

圖15 典型部位的結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力圖

根據(jù)此艇的 4種坐墩工況的受力情況總結(jié)此艇的布墩規(guī)律如下:

表1 四種坐墩工況墩木布置表

(1)坐墩工況二中,龍骨墩上面的中縱桁和肋板的應(yīng)力明顯比坐墩工況一的大,主要是由于邊墩數(shù)目增加使小柱殼底部肋板的應(yīng)力減小,即在減小邊墩面積且增加邊墩數(shù)量時(shí)可以減小邊墩上面連接肋板的應(yīng)力,而相同肋位的龍骨墩上面的縱桁和肋板受力增加。

(2)坐墩工況三與坐墩工況一比較可知,單個(gè)龍骨墩的面積增大和總個(gè)數(shù)減少,使龍骨墩上面肋板的應(yīng)力顯著增大,同時(shí)小圓柱殼底部肋板的應(yīng)力也有所增大,但變化不是很大,即整體的應(yīng)力得到提高。由此可以看出龍骨墩的變化比邊墩的變化引起的應(yīng)力變化要大。

(3)坐墩工況三與坐墩工況四相比,由于龍骨墩的增加使大圓柱殼底部的肋板應(yīng)力減小,其他的相差不多。

(4)在非水密肋板處既設(shè)置龍骨墩又設(shè)置邊墩時(shí),會(huì)導(dǎo)致孔邊的剪應(yīng)力較大。與水密肋板的此種情況相比較,非水密肋板處的底部較大等效應(yīng)力區(qū)域明顯擴(kuò)大。雖然其應(yīng)力在允許范圍之內(nèi),但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和墩木布置等其他條件允許的情況下,要盡量地減少這樣的布墩方式。

(5)艇體坐墩時(shí)主要的受力結(jié)構(gòu)為橫向肋板和大小圓柱殼底部縱桁。在同一肋位既有龍骨墩又有邊墩時(shí),底部中縱桁承受的力比旁縱桁承受的力大,但是與旁縱桁連接的肋板相比,與中縱桁連接肋板的等效應(yīng)力和剪應(yīng)力大。即一般在同時(shí)布置龍骨墩和邊墩的水密肋板處,小圓柱殼底部的肋板受力最大,然后是大圓柱殼底部的縱桁,再其次是大圓柱殼底部肋板,最后是小圓柱殼底部縱桁。對(duì)于只布置龍骨墩的肋板,則底部肋板和縱桁的應(yīng)力相差不多,大部分肋位的縱桁應(yīng)力稍大一些。

(6)在各布墩工況中,尾部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力明顯比其他部位大。肋板最大應(yīng)力出現(xiàn)在同時(shí)布置龍骨墩和邊墩的最尾部的那一道肋板,主要是由于尾部懸伸段較長(zhǎng)。考慮到在尾部布墩的難度較大,所以在墩木應(yīng)力允許的范圍內(nèi),盡量減少尾部墩木的布置。但這樣會(huì)導(dǎo)致尾墩木的支反力較大,結(jié)構(gòu)受力也會(huì)偏大。

(7)從首部到尾部,龍骨墩的受力呈增大趨勢(shì)。坐墩工況四中使首懸伸段長(zhǎng)度增加,從而使墩木應(yīng)力趨向均勻,因此坐墩工況四的墩木應(yīng)力都在1.6 MPa以下,是所有坐墩工況里較均勻且較小者。但這樣會(huì)導(dǎo)致首部的應(yīng)力明顯增大,雖然較其他坐墩工況增大,但與尾部比較還是小一些。因此為減少首部的布墩難度則在首部從平行中體開(kāi)始布置墩木即可,并且在首部布置時(shí)雖然最首部的一道墩木的支反力較大,但并不需要增大墩木尺寸就能滿足應(yīng)力要求。從平行中體處開(kāi)始布置墩木對(duì)進(jìn)出塢時(shí)也是比較方便的。

(8)邊墩的承重比例很接近,從表 2中可以看出邊墩承受的重力都接近總重力的 50%,主要是由于艇型扁平且寬度較大導(dǎo)致邊墩承受的力較大。坐墩工況一的比例最小,坐墩工況二的比例最大。通過(guò)比較,可知在邊墩布置數(shù)量增加時(shí)會(huì)使邊墩承重比例增加。邊墩支反力的分布特點(diǎn):在首尾部較大,中間偏小,最大值出現(xiàn)在尾部最后一道墩木。在坐墩工況二中由于邊墩面積較小,首尾墩木出現(xiàn)較大應(yīng)力值,因此在墩木面積較小時(shí),首尾墩木宜增加尺寸。

坐墩受力情況的計(jì)算主要是找到更好的墩木布置形式,而結(jié)構(gòu)的受力總體來(lái)說(shuō)并不是很大,只在局部有較大應(yīng)力出現(xiàn),因此對(duì)于此艇坐墩時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度比較容易滿足。在外部連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),坐墩受力不是結(jié)構(gòu)受力設(shè)計(jì)的主要工況,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可作為校核工況。

表2 邊墩承受的重力與總重力的比例

5 結(jié)論

本文首先對(duì)某算例的水下載人平臺(tái)的壓載水艙結(jié)構(gòu)計(jì)算分析,然后進(jìn)行艙段計(jì)算校核,最后擴(kuò)展到整艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。從計(jì)算結(jié)果可以看出:在靜水壓力下結(jié)構(gòu)受力較大,而在坐墩工況下只有局部受力較大且應(yīng)力較小,所以靜水壓力是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的主要工況,而坐墩工況可作為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核使用。本文的計(jì)算分析初步設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在靜水壓力和坐墩工況下均滿足強(qiáng)度要求,為以后在其他載荷下的受力分析打下良好基礎(chǔ),并為此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)形式的參考,也為此算例的載人平臺(tái)繼續(xù)研究設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

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