黃加強(qiáng)，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(duì),遼寧 大連 116041)

潛艇耐壓船體在設(shè)計(jì)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(dāng)潛艇耐壓殼體采用2個(gè)不同錐角的加肋圓錐殼相連接時(shí)，在2圓錐殼的過渡處亦采用環(huán)殼進(jìn)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(gè)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(qiáng)結(jié)構(gòu)或是在圓柱形耐壓船體上布置的縱骨結(jié)構(gòu)?？v筋加強(qiáng)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為特殊，會(huì)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(diǎn)，是一種不良的結(jié)構(gòu)形式[3]；同時(shí)，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(jìn)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(diǎn)，而這些應(yīng)力集中點(diǎn)是耐壓船體引發(fā)疲勞裂紋的源點(diǎn)，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(huì)對過渡段帶來類似的不利影響。由于其他設(shè)計(jì)考慮不得不采用這種縱向結(jié)構(gòu)時(shí)，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(jì)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h(yuǎn)1/R2=0.014 1,右側(cè)高h(yuǎn)2/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(qiáng)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(diǎn)見表1。

表1 不同結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)

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(diǎn)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(gè)點(diǎn)。

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(shí)布置環(huán)向構(gòu)件降低了整個(gè)環(huán)殼段內(nèi)的中面環(huán)向應(yīng)力和半個(gè)環(huán)殼段內(nèi)的外表面縱向應(yīng)力，但會(huì)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(diǎn)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(dòng)幅度更大，說明布置縱向構(gòu)件會(huì)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(qiáng)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(gè)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(diǎn)，得到模型二和模型三各點(diǎn)處典型應(yīng)力沿環(huán)向的分布見圖5。

圖5 相應(yīng)點(diǎn)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(shí)，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(diǎn)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(dòng)，各典型應(yīng)力在縱向構(gòu)件附近急劇下降，在18個(gè)縱向構(gòu)件處出現(xiàn)了18個(gè)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(yuǎn)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(dòng)，在環(huán)殼上布置縱向構(gòu)件出現(xiàn)了類似布置縱筋加強(qiáng)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(jì)

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(dòng)，相比模型二無縱向構(gòu)件時(shí)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(shí)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(huì)給船體帶來過多重量上的負(fù)擔(dān)，現(xiàn)取不同的附加連接板的厚度建立系列模型，計(jì)算得到附加板不同厚度時(shí)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(gè)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(dòng)，雖能降低縱向構(gòu)件附近處的應(yīng)力，但會(huì)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(diǎn)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(dòng)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(shí)，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(jià)較小。因此，當(dāng)需要在環(huán)殼過渡段布置縱向構(gòu)件時(shí)，該結(jié)構(gòu)形式是很好的選擇。