焦冀光，楊春，劉文一

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潛艇發(fā)射筒保護(hù)蓋力學(xué)性能分析

焦冀光1，楊春2，劉文一1

（1.91550部隊(duì)91分隊(duì)，遼寧 大連 116023；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

目的研究艇載發(fā)射筒保護(hù)蓋在深水壓力和溫度載荷下的力學(xué)性能。方法建立保護(hù)蓋力學(xué)載荷和溫度載荷模型，采用有限元技術(shù)仿真計(jì)算保護(hù)蓋在這些載荷下的形變、應(yīng)力、溫度分布和熱結(jié)構(gòu)情況。結(jié)果深水壓力載荷作用下，保護(hù)蓋出現(xiàn)的形變大小在0.977~1.47 cm范圍內(nèi)，應(yīng)力大小在1.22~7.91 MPa范圍內(nèi)。溫度載荷下出現(xiàn)的形變大小在0.92~1.38 cm范圍內(nèi)，應(yīng)力大小在0.272~1.26 MPa范圍內(nèi)。結(jié)論兩種工況下保護(hù)蓋最大形變均出現(xiàn)在中部，因此這個(gè)部位結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需加強(qiáng)，以防其被破壞。

發(fā)射筒；潛艇；保護(hù)蓋

某潛艇發(fā)射筒保護(hù)蓋由非金屬材料制成，可以對(duì)發(fā)射筒內(nèi)的雷彈起到保護(hù)作用。潛艇在水下執(zhí)行巡航任務(wù)時(shí)，水深產(chǎn)生的壓力會(huì)對(duì)保護(hù)蓋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生靜壓影響；在水面上時(shí)，筒內(nèi)外溫度差會(huì)對(duì)保護(hù)蓋的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[1]。為了研究這些載荷對(duì)非金屬保護(hù)蓋的影響，文中建立了溫度變化模型和熱結(jié)構(gòu)模型，采用有限元技術(shù)計(jì)算了保護(hù)蓋在這些載荷下的應(yīng)力、變形和溫度分布情況。

1 保護(hù)蓋模型

保護(hù)蓋為圓柱形殼體，整體制造，用夾緊環(huán)夾緊保護(hù)蓋下端面法蘭，固定在發(fā)射筒上，且法蘭上下端面有密封圈以保證發(fā)射筒的氣、水密。圖1為保護(hù)蓋的三維模型和有限元模型，使用IsoMesh劃分器，劃分為Quad4型單元。這樣劃分的原因是便于控制網(wǎng)格疏密，共劃分了25 994個(gè)單元[2]。

圖1 保護(hù)蓋的及其有限元模型

保護(hù)蓋為非金屬材料，其性能參數(shù)：密度為1730 kg/m3，泊松比為0.495，彈性模量為290 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.57 W/(m·K)，熱膨脹系數(shù)為3.2×10－6K－1。

2 保護(hù)蓋內(nèi)外壓差對(duì)保護(hù)蓋的影響

為了滿足裝載在發(fā)射筒內(nèi)的雷彈貯存需要，發(fā)射筒內(nèi)充有一定壓力的氣體，發(fā)射筒位于水下時(shí)，水深會(huì)在發(fā)射筒保護(hù)蓋內(nèi)外產(chǎn)生一定的壓差，若保護(hù)蓋承壓能力差，則壓差有可能使保護(hù)蓋失穩(wěn)或破壞保護(hù)蓋，使水進(jìn)入發(fā)射筒，進(jìn)而使雷彈失效[3]。

2.1 保護(hù)蓋穩(wěn)定性分析模型

在有限元方法中，線形穩(wěn)定性理論通過提取使線性系統(tǒng)剛度矩陣奇異的特征值來獲得結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)載荷，即失穩(wěn)模態(tài)。線性穩(wěn)定性分析的特點(diǎn)是變形為小變形，單元應(yīng)力必須是彈性的，載荷引起的內(nèi)部單元力分布是不變的[4]。離散后有限元模型的屈曲分析控制方程為：

式中：為剛度矩陣；d為剛度微分矩陣；為特征值；為特征向量。

這個(gè)方程可簡化為一種標(biāo)準(zhǔn)形式求解。采用Lanczos 法對(duì)其實(shí)特征值求解，將式（1）改寫為[5—6]：

選擇初始迭代矢量：

(3)

依次取= 1，2，3，…，直到出現(xiàn)收斂的迭代根，迭代函數(shù)為：

其中：

(5)

將α，β合并為一個(gè)變換矩陣，如式（6）：

設(shè)為特征方程=的特征值根，則式（2）的特征值為：

(7)

因此為使線性系統(tǒng)剛度矩陣奇異的特征值，即為所求保護(hù)蓋的的臨界壓力[7]。

2.2 保護(hù)蓋靜力分析模型

對(duì)于結(jié)構(gòu)材料，可以由Kirchoff應(yīng)力張量t和Green應(yīng)變張量γ來描述其應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，它們滿足以下關(guān)系式：

式中：1，2，3為變形張量不變量；為應(yīng)變能密度函數(shù)[6]。根據(jù)計(jì)算所用C/C材料模型，可以推導(dǎo)出其主應(yīng)力1和主伸長比1之間的關(guān)系為[8]：

(9)

2.3 仿真計(jì)算及結(jié)果分析

計(jì)算了發(fā)射筒在水下時(shí)，保護(hù)蓋在水靜壓下的受力情況，得到了形變和應(yīng)力，如圖2所示。

圖2 保護(hù)蓋在水壓載荷下的形變與應(yīng)力

從計(jì)算結(jié)果來看，在深水靜壓的作用下，保護(hù)蓋出現(xiàn)了較大的形變和應(yīng)力，形變大小在0.977~1.47 cm范圍內(nèi)，形變最大的地方在保護(hù)蓋幾何中心。應(yīng)力大小在1.22~7.91 MPa范圍內(nèi)，應(yīng)力最大的地方在保護(hù)蓋中部和邊緣位置，在邊緣位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3 溫度對(duì)保護(hù)蓋的影響

3.1 熱結(jié)構(gòu)分析模型

當(dāng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部存在溫度梯度的時(shí)候，溫度的變化必然會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生膨脹或者收縮的現(xiàn)象。當(dāng)結(jié)構(gòu)的外部存在某些約束的時(shí)候，這些變形必然會(huì)受到抑制，此時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)部就會(huì)存在某種應(yīng)力來抵抗這些變形，這種由于結(jié)構(gòu)的溫度場引起的應(yīng)力叫做熱應(yīng)力[9]。

當(dāng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部存在熱應(yīng)力時(shí)，結(jié)構(gòu)的總應(yīng)力分為兩部分：結(jié)構(gòu)機(jī)械應(yīng)力以及熱應(yīng)力[10]。由于結(jié)構(gòu)的小變形假設(shè)，因此滿足線性疊加原理，那么此時(shí)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力可以表示為[11]：

對(duì)于結(jié)構(gòu)的應(yīng)變可以寫成：

(11)

式中：σ為結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分量；ε為結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分量；c為結(jié)構(gòu)的剛度系數(shù)；s為結(jié)構(gòu)的柔度系數(shù)；β為結(jié)構(gòu)的熱模量；α為結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)[12]。

3.2 仿真計(jì)算及結(jié)果分析

潛艇在巡航時(shí)，在某些海域發(fā)射筒保護(hù)蓋外表面受到陽光照射而有較高的溫度，保護(hù)蓋內(nèi)表面則由于雷彈貯存溫度需要而保持一定的溫度。這樣會(huì)在保護(hù)蓋外表面產(chǎn)生溫度差，計(jì)算得到了保護(hù)蓋的溫度分布和溫度梯度分布，如圖3所示。

從計(jì)算結(jié)果來看，在保護(hù)蓋下圓弧處，溫度變化較大，因而出現(xiàn)了較大的溫度梯度。保護(hù)蓋在溫度載荷作用下，會(huì)出現(xiàn)變形，計(jì)算得到了保護(hù)蓋在溫度載荷下的形變和應(yīng)力，如圖4所示。

圖3 保護(hù)蓋溫度與溫度梯度

從計(jì)算結(jié)果來看，保護(hù)蓋在溫度載荷下出現(xiàn)了較大的形變，形變大小在0.92~1.38 cm范圍內(nèi)，形變最大的地方在保護(hù)蓋幾何中心。應(yīng)力大小在2.72 kPa~1.26 MPa范圍內(nèi)，應(yīng)力最大的地方在保護(hù)蓋根部位置，在根部位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4 結(jié)論

1）深水靜壓載荷作用下，保護(hù)蓋出現(xiàn)了較大的形變和應(yīng)力，形變大小在0.977~1.47 cm范圍內(nèi)，形變最大的地方在保護(hù)蓋幾何中心。應(yīng)力大小在1.22~7.91 MPa范圍內(nèi)，應(yīng)力最大的地方在保護(hù)蓋中部和邊緣位置，在邊緣位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2）太陽直射時(shí)，保護(hù)蓋內(nèi)外溫差較大。在保護(hù)蓋下圓弧處，溫度變化較大，因而出現(xiàn)了較大的溫度梯度。

3）保護(hù)蓋在溫度載荷下出現(xiàn)了較大的形變，形變大小在0.92~1.38 cm范圍內(nèi)，形變最大的地方在保護(hù)蓋幾何中心。應(yīng)力大小在272 kPa~1.26 MPa范圍內(nèi)，應(yīng)力最大的地方在保護(hù)蓋根部位置，在根部位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4）水壓和溫度載荷作用下，保護(hù)蓋最大形變均在保護(hù)蓋中部，因此這個(gè)部位需加強(qiáng)，以防其被破壞。

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Mechanical Property of Submarine Launch Canister Protection Cover

JIAO Ji-guang1, YANG Chun2, LIU Wen-yi2

(1.Unit 91of PLA 91550, Dalian 116023, China；2.Beijing Institute of Astronautical System Engineering, Beijing 100076, China)

Objective To study mechanical properties of submarine launch canister protection cover under deepwater pressure and temperature load. Methods Model for mechanical and temperature load of protection cover was established. Finite-element method was used to analyze the stress, deformation, temperature distribution and thermal structure under those loads. Results Under deep water pressure, the deformation was 0.977 cm to 1.47 cm, the stress was 1.22 MPa ~ 7.91 MPa. Under temperature load, the deformation of the protection cover is 0.92~1.38 cm and the stress was 0.272 kPa ~ 1.26 MPa. Conclusion The maximum deformation of protection cover was on centre portion in two working conditions, so the structural strength of centre portion should be reinforced, otherwise it would be damaged.

launch canister; submarine; protection cover

10.7643/ issn.1672-9242.2017.04.018

TJ07；TG174

A

1672-9242(2017)04-0087-04

2017-01-20；

2017-02-23

焦冀光（1984—），女，湖北武漢人，主要研究方向?yàn)槲淦骺刂萍皟?yōu)化設(shè)計(jì)。