肖文勇，黃　旎中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

錐環(huán)柱結構總體匹配強度性能研究

肖文勇，黃旎
中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

錐環(huán)柱結構是柱殼與錐殼連接的一種新型結構形式，實現(xiàn)了柱殼和錐殼的光順連接，具有應力分布均勻、結構重量小、最大應力部位避開了焊縫部位等優(yōu)點。然而，當其他結構與其匹配時，其強度性能會受到影響。采用ANSYS有限元仿真軟件，對大型環(huán)向結構、大型開孔加強結構、大型縱向結構與錐環(huán)柱結構的匹配關系進行計算和分析比較，得到了與不同結構匹配時的錐環(huán)柱結構強度性能變化曲線，給出了大型環(huán)向結構應距環(huán)殼1檔肋位以上、大型開孔加強結構應距環(huán)殼2檔肋位以上、大型縱向結構可直接與環(huán)殼連接的結論。

錐環(huán)柱結構；總體匹配；強度性能；有限元分析

0　引言

根據(jù)總體布置需求，潛艇耐壓結構往往需要采用不同直徑的耐壓圓柱殼，從而形成了錐柱結合結構。在錐殼與柱殼的結合部位，由于結構的不連續(xù)性，使得耐壓船體局部會產(chǎn)生較高的應力，從而削弱結構的強度和疲勞性能。可見，錐柱結合結構是耐壓結構的薄弱部位，會制約耐壓結構的承載能力。

蔣培林等［1-2］介紹了幾種常見的局部加強的結構形式，主要有貼板加強、厚板對接加強、縱筋加強和厚板削斜等。其中，前2種加強結構形式現(xiàn)在已被淘汰，目前使用較多的是縱筋加強結構和厚板削斜結構?？v筋加強結構的特點是制造工藝簡單，對建造偏差不敏感，雖可在一定程度上降低結合區(qū)的縱向應力，但應力峰值依然較高，且出現(xiàn)了量值較高的拉應力。當采用高強度鋼時，錐柱結合殼結構會產(chǎn)生疲勞裂紋，易出現(xiàn)疲勞破壞［3-4］。厚板削斜結構的特點是應力分布較均勻，能有效降低周向應力和縱向應力，可解決焊縫與高應力點錯開的問題，對加工偏差不敏感，但結構重量較重，且對應力的降低也有限。

隨著潛艇下潛深度的增加，上述結構形式已逐漸不能滿足使用要求。近年來，郭日修等［5］提出了一種錐環(huán)柱結合殼（圖1）的新型結構形式，即在柱殼與錐殼之間嵌入一段環(huán)殼塊，該環(huán)殼塊的兩端分別與柱殼和錐殼相切連接，從而實現(xiàn)柱殼與錐殼的光順連接，消除結合部的折角，大幅降低了結合部的應力峰值，且結合部的最大應力也不是出現(xiàn)在環(huán)殼塊與柱殼和錐殼連接的焊縫上。同時，該種結構形式的重量也較輕。陳志堅和白雪飛等［6-7］對錐環(huán)柱環(huán)殼的強度性能開展了理論分析與研究。郭日修等［5，8-11］對錐環(huán)柱結合殼的結構進行模型試驗，驗證了錐環(huán)柱結構的強度和穩(wěn)定性，通過與錐柱等其他結構形式進行比較，發(fā)現(xiàn)其強度和穩(wěn)定性均高于同樣厚度的其他結構形式，得出了錐環(huán)柱結合殼結構是一種優(yōu)越結構形式的結論。肖文勇等［12］對不同結構參數(shù)的錐環(huán)柱結構強度性能進行研究，指出了對錐環(huán)柱環(huán)殼強度性能影響最大的參數(shù)。

圖1　錐環(huán)柱結合殼結構Fig.1 The structure of cone-toroid-cylinder combined shell

然而，耐壓船體由多種結構集成，不同結構之間的耦合和相互影響不可避免。當錐環(huán)柱結構受到其他結構的干擾時，其力學特性會受到影響，從而影響到耐壓船體結構的安全性。目前，還未檢索到有關錐環(huán)柱結構總體匹配強度性能研究方面的文獻資料，因此，有必要開展這方面的研究，以給出錐環(huán)柱結構與不同結構之間的合理匹配關系。鑒于相關規(guī)范只考核錐環(huán)柱環(huán)殼的內(nèi)表面縱向應力，因此，錐環(huán)柱結構總體匹配的指標是：環(huán)殼中點內(nèi)表面縱向應力的增加量不大于5%，且不超過材料的屈服強度。

本文將采用ANSYS有限元軟件，分別建立錐環(huán)柱結構與大型環(huán)向結構、大型縱向結構和大型開孔加強結構的總體匹配結構有限元模型，開展系列匹配性分析，計算相關匹配結構對環(huán)殼強度性能的影響，從而為錐環(huán)柱結構的設計提供參考。

1　錐環(huán)柱結構與大型環(huán)向結構的總體匹配

對于大型環(huán)向結構，采用大肋骨來模擬。模型主要計算參數(shù)如下：柱殼板厚10 mm，錐殼段板厚10mm，半錐角為12°；環(huán)殼半徑733 mm，板厚11.33 mm；肋骨間距200 mm。需要說明的是，本文中的所有計算模型均為實際結構的縮比模型，相應的殼板厚度均是按相同的縮比比例計算得到。

本文分別對無大肋骨（方案1）、大肋骨位于距環(huán)殼1檔肋位的柱殼（方案2）、大肋骨位于環(huán)殼柱殼段（方案3）、大肋骨位于環(huán)殼錐殼段（方案4）、大肋骨位于距環(huán)殼1檔肋位的錐殼（方案5）和大肋骨位于環(huán)殼中部（方案6）這6種匹配關系進行了計算比較。選取環(huán)殼段及其前部1檔錐殼和后部1檔柱殼作為研究對象，柱殼段坐標區(qū)間為0～200 mm，環(huán)殼段坐標區(qū)間為200～400mm，錐殼段坐標區(qū)間為400～600mm（以下與此相同）。

由于為軸對稱模型，故采用軸對稱平面單元Plane 42，選取耐壓船體縱向剖面進行計算，模型網(wǎng)格大小設定為2mm。6種方案的有限元模型如圖2所示。在耐壓船體外表面施加計算靜水壓力，在錐殼端部施加剛性固定邊界條件，在柱殼端部施加靜水壓力產(chǎn)生的縱向力。對于凸錐環(huán)柱結構，主要考核環(huán)殼內(nèi)表面縱向應力的水平。6種方案的內(nèi)表面縱向應力分布曲線如圖3所示，帶有大型環(huán)向結構的環(huán)殼強度性能比較如表1所示。

圖2　帶大型環(huán)向結構的錐環(huán)柱結構圖Fig.2 The cone-toroid-cylinder combined shell with the large ringed structure

圖3　大型環(huán)向結構不同位置時的內(nèi)表面縱向應力分布曲線Fig.3 The curves of inner longitudinal stressof toroid shells with large ringed structure in different positions

表1　帶大型環(huán)向結構的環(huán)殼強度性能比較表Tab.1 The strength behavior com parison of toroid shells w ith different large ringed structures

由圖3和表1可以得出如下結論：

1）沒有大肋骨時，環(huán)殼中點內(nèi)表面縱向應力水平與肋骨1和肋骨4（肋骨編號見圖2）處的耐壓船體殼板內(nèi)表面縱向應力水平相當，約為-622 MPa；同時，受環(huán)殼的影響，環(huán)殼上肋骨2和肋骨3處的耐壓船體殼板內(nèi)表面縱向應力水平（約為-490 MPa）明顯低于肋骨1和肋骨4處耐壓船體殼板內(nèi)表面縱向應力水平。

2）當大肋骨位于環(huán)殼中點時，環(huán)殼的內(nèi)表面縱向應力水平有很大程度的增加。

3）當大肋骨位于肋骨2和肋骨3的位置時，環(huán)殼內(nèi)表面整體縱向應力水平也有一定程度的增加。

4）當大肋骨位于肋骨1和肋骨4的位置時，環(huán)殼的應力分布和水平與沒有大肋骨的環(huán)殼應力分布和水平幾乎一致。

5）通過上述對比分析，為盡量減少大型環(huán)向結構（大肋骨和艙壁）對環(huán)殼強度性能的影響，建議大型環(huán)向結構與環(huán)殼結構的距離應在1檔肋位以上。

2　錐環(huán)柱結構與大型開孔加強結構的總體匹配

對于大型開孔加強結構，采用切斷2根肋骨的開孔圍欄來模擬。模型主要計算參數(shù)如下：柱殼板厚10mm，錐殼段板厚10mm，半錐角為12°；環(huán)殼半徑833 mm，板厚11.33 mm，肋骨間距200 mm。

本文分別對無大型開孔加強結構（方案1）、大型開孔加強結構與環(huán)殼相鄰（方案2）、大型開孔加強結構距環(huán)殼1檔肋位（方案3）、大型開孔加強結構距環(huán)殼2檔肋位（方案4）這4種匹配關系進行了計算比較，4種計算方案如圖4所示。選取環(huán)殼段作為研究對象，分析大型開孔加強結構對環(huán)殼強度性能的影響，獲得大型開孔加強結構與環(huán)殼的最佳匹配方案。

圖4　帶大型開孔加強的錐環(huán)柱結構圖Fig.4 The cone-toroid-cylinder combined shell with the large hatch reinforce structure

模型采用殼單元Shell63模擬，模型網(wǎng)格大小設定為2mm，4種方案的有限元計算模型如圖5所示。在耐壓船體外表面施加計算靜水壓力，在錐殼端部施加剛性固定邊界條件，在柱殼端部施加靜水壓力產(chǎn)生的縱向力。4種方案的環(huán)殼中點內(nèi)表面縱向應力沿周向分布的曲線如圖6所示，與大型開孔加強結構同一母線方向的環(huán)殼內(nèi)表面縱向應力沿縱向分布的曲線如圖7所示，帶有開孔加強結構的環(huán)殼強度性能比較如表2所示。

由圖6、圖7和表2可得出如下結論：

1）大型開孔加強結構與環(huán)殼的距離對環(huán)殼的強度性能存在一定的影響。距離越近，對環(huán)殼強度性能的影響越大。當大開孔加強結構距環(huán)殼2檔肋位以上時，對環(huán)殼強度性能的影響很小，幾乎可以忽略不計。

2）當有大型開孔加強結構時，與大型開孔加強結構同一母線處的環(huán)殼內(nèi)表面縱向應力和中面周向應力最大，沿兩側的周向逐漸減少。

3）通過上述對比分析，為盡量減少大型開孔加強結構對錐環(huán)柱環(huán)殼強度性能的影響，建議大型開孔加強結構與環(huán)殼結構的距離應在1檔肋位以上。

圖5　帶大型開孔加強的錐環(huán)柱有限元計算模型Fig.5 The finite elementmodel of cone-toroid-cylinder combined shellwith the large hatch reinforce structure

圖6　環(huán)殼中點內(nèi)表面縱向應力沿周向分布曲線Fig.6 The curves of inner longitudinal stressof the toroid shellsm idpointalong the circum ference

圖7　環(huán)殼內(nèi)表面縱向應力沿縱向分布曲線Fig.7 The curvesof inner longitudinalstress of the toroid shellsalong the longitude

表2　帶大型開孔加強結構的環(huán)殼強度性能比較表Tab.2 The strength behavior com parison of toroid shells w ith the different large hatch reinforce structures

3錐環(huán)柱結構與大型縱向結構的總體匹配

由于大型縱向結構的縱向布置長度較長、剛度大，故其與環(huán)殼的連接不可避免。計算了2組大型縱向結構：第1組是大型雙縱向結構，用來模擬距離較近的2個大型縱向基座；第2組是大型單縱向結構，用來模擬單個大型縱向基座和船體底部中縱桁板。帶有大型縱向結構的錐環(huán)柱結構如圖8所示。模型主要計算參數(shù)如下：柱殼板厚10mm，錐殼段板厚10mm，半錐角為12°；環(huán)殼半徑833mm，板厚11.33mm；肋骨間距200mm。

模型采用殼單元Shell63模擬，模型網(wǎng)格大小設定為2 mm。選取環(huán)殼段作為研究對象，分析大型縱向結構對環(huán)殼強度性能的影響，有限元計算模型如圖9所示。

在耐壓船體外表面施加計算靜水壓力，在錐殼端部施加剛性固定邊界條件，在柱殼端部施加靜水壓力產(chǎn)生的縱向力。環(huán)殼中點內(nèi)、外表面和中面的縱向應力沿周向的分布曲線如圖10所示，環(huán)殼中點內(nèi)、外表面和中面的周向應力沿周向的分布曲線如圖11所示，帶有大型縱向結構的環(huán)殼強度性能比較如表3所示。

圖8　帶大型縱向結構的錐環(huán)柱結構圖Fig.8 The cone-toroid-cylinder combined shellwith the large longitudinalstructure

圖9　帶有大型縱向結構的錐環(huán)柱有限元計算模型Fig.9 The finite elementmodel of cone-toroid-cylinder combined shellwith the large longitudinal structure

圖10　環(huán)殼中點內(nèi)、外表面和中面縱向應力沿周向分布曲線Fig.10 The curvesof inner，outerandmiddle longitudinal stress of the toroid shellsmidpointalong the circum ference

圖11　環(huán)殼中點內(nèi)、外表面和中面的周向應力沿周向分布曲線Fig.11 Thecurvesofinner，outerandmiddle circumferentialstress of the toroid shellsmidpointalong the circum ference

表3　帶大型縱向結構的環(huán)殼強度性能比較表Tab.3 The strength behavior com parison of toroid shellsw ith the large longitudinal structure

由圖10、圖11和表3可以得出如下結論：

1）在大型縱向結構處，環(huán)殼中點內(nèi)表面的縱向應力明顯減少，環(huán)殼外表面的縱向應力明顯增加。和無縱向結構部位相比，縱向結構處環(huán)殼的整體縱向應力水平未增加。

2）越靠近大型縱向結構，環(huán)殼中點內(nèi)、外表面和中面的周向應力增加越明顯，尤其是在大型縱向結構處，外表面的周向應力增幅較大。但中面的周向應力水平整體不高。

3）大型單縱向結構與大型雙縱向結構處的環(huán)殼應力分布規(guī)律相似，應力水平相當。

4）通過上述對比分析，發(fā)現(xiàn)大型縱向結構對錐環(huán)柱環(huán)殼的強度性能存在一定的影響，但環(huán)殼內(nèi)表面的縱向應力和中面周向應力的整體應力水平不高。因此，大型縱向結構可與環(huán)殼直接匹配連接。

4　結論

錐環(huán)柱結構是一種優(yōu)秀的錐殼與柱殼連接的結構，具有較高的應用價值。研究錐環(huán)柱結構與其它結構形式的匹配關系，可以更精確地得到錐環(huán)柱環(huán)殼強度性能變化規(guī)律，確定出合理的匹配關系，為錐環(huán)柱結構的實際應用提供參考。本文從與錐環(huán)柱結構實際匹配的幾種結構出發(fā)，分析了錐環(huán)柱結構與大型環(huán)向結構、大型開孔加強結構和大型縱向結構的總體匹配關系和影響，得出如下結論：

1）為盡量減少大型環(huán)向結構（大肋骨和艙壁）對環(huán)殼強度性能的影響，建議大型環(huán)向結構與環(huán)殼結構的距離應在1檔肋位以上。

2）為盡量減少大型開孔加強結構對錐環(huán)柱環(huán)殼強度性能的影響，建議大型開孔加強結構與環(huán)殼結構的距離應在2檔肋位以上。

3）當大型縱向結構與環(huán)殼匹配時，對環(huán)殼的總體影響不大，可與環(huán)殼直接匹配連接。

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［責任編輯：盧圣芳］

The generalmatching study on the strength behavior of the cone-toroid-cylindercom bined shell

XIAO Wenyong，HUANG Ni China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The cone-toroid-cylinder combined shell，a new-type structure connecting the cylinder shell and the cone shell，has advantages of uniform stress distribution，small structure weight，and the maximum stress position avoiding the welding line because of the smooth connection between the cylinder shell and the cone shell.However，the strength behavior of the cone-toroid-cylinder combined shell will be heavily affected when connecting with other structures.The influence of the large ringed structure，the large hatch reinforce structure，the large longitudinal structure on the the strength behavior of the cone-toroid-cylinder combined shell is investigated in this paper with the finite element method with ANSYS.The strength behavior curve of the cone-toroid-cylinder combined shell matching with other structures is also obtained.It is concluded that the large ringed structure should be placed over one frame spacing away from the cone-toroid-cylinder combined shell，and the large hatch reinforce structure should be placed over two frames spacing away from the cone-toroid-cylinder combined shell，while the large longitudinal structure can be directly connected with the cone-toroid-cylinder combined shell.

cone-toroid-cylinder combined shell；generalmatching；strength behavior；finite element method

U661.43

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.04.010

2014-12-23網(wǎng)絡出版時間：2015-7-28 17:25:29

肖文勇（通信作者），男，1979年生，碩士，工程師。研究方向：船舶結構設計。E-mail：xiaowenyong1207@126.com黃旎，女，1984年生，博士，工程師。研究方向：船舶結構設計