潛艇耐壓液艙結構破壞原因及加強形式探討

龔君來

武漢第二船舶設計研究所 武漢 430064

潛艇耐壓液艙結構破壞原因及加強形式探討

龔君來

武漢第二船舶設計研究所 武漢 430064

耐壓液艙區域的耐壓殼體在外載荷作用下發生破壞，其破壞原因與相鄰耐壓殼體的受力相關，相鄰耐壓殼體的變形對其影響往往很大。在吸收現有潛艇耐壓液艙結構理論計算方法、有限元分析和試驗研究的基礎上，對其結構破壞原因及加強形式進行了探討。

耐壓液艙 結構破壞原因 加強

耐壓液艙結構是最復雜的潛艇耐壓結構之一，目前主要采用解析法、半解析法和數值方法。解析法和半解析方法通過分別建立耐壓船體殼板、液艙殼板、實肋板的微分方程進行聯合求解，得到理論計算公式，經過模型試驗驗證并根據試驗數據進行適當修正，使得理論計算結果（結構承載能力預報）更接近實際［1］。

有限元方法是分析耐壓液艙結構強度和穩定性的重要方法之一，計算結果有助于揭示復雜結構的力學特性及各構件之間的相互關系，容易獲得結構參數匹配程度及高應力分布區域等信息，為完善耐壓液艙結構強度計算方法、優化結構設計以及提出更加新型合理的耐壓液艙結構形式提供理論依據［2-3］。

模型試驗是驗證理論計算結果準確性和可靠性的有效途徑。目前我國在這方面開展了大量的研究工作，積累了豐富的試驗數據，取得了一大批科研成果，極大地提高了潛器耐壓液艙結構設計的安全性和合理性。為解決潛器下潛深度增加帶來的耐壓液艙結構承載能力和結構重量之間的矛盾具有實際意義。

1 模型試驗結構破壞形式、部位及受力分析

對于結構進行模型外壓試驗是檢驗計算結果的有效途徑。通過對外置式耐壓液艙結構進行的一系列模型試驗表明，耐壓液艙結構的破壞形式和部位見圖1。

圖1 耐壓液艙結構破壞形式和部位示意圖

從圖1可看出，破壞部位發生在耐壓液艙的最邊一檔的耐壓殼體上（＃1～＃2），破壞形態為軸對稱局部失穩，耐壓液艙結構受力、變形情況見圖2。

圖2 耐壓液艙結構承受外載示意圖

在外載荷作用下，＃0～＃1處耐壓殼體也要受外載荷作用，而不象耐壓液艙部分的耐壓殼體不直接受到外載荷的作用。而＃0～＃1間耐壓殼體的變形在＃1耐壓殼體處的轉角卻和＃1～＃2間耐壓殼體的變形引起的轉角方向相同，因此兩者必然會疊加，其殼體變形峰值見圖1，在＃1～＃2之間靠近＃1處。而＃0～＃1殼體靠近＃1處卻不會有此峰值，因為＃1～＃2間殼體變形是耐壓殼體抵抗＃1和＃2處變形所致。＃0～＃1間耐壓殼體的變形對＃1～＃2間耐壓殼體的變形影響超過了外載荷P通過耐壓液艙壁板傳到耐壓殼體上的力引起的變形影響，因此耐壓液艙結構會出現如圖1那樣的破壞形式。

2 耐壓液艙殼體部分加強形式

根據上述的受力分析，對幾種可能的加強形式作出如下分析。

1）見圖3，加強形式即在耐壓液艙部分的耐壓殼體每檔肋距1／2部位加加強肋骨。如前面的分析，＃1～＃2間殼體變形的峰值不在1／2肋距部位，且此部分殼體的變形是由＃1和＃2處艙壁板將耐壓液艙殼體受外載荷作用下傳到耐壓殼體上所至，對幫助承擔由此引起的變形作用不大，且對減小峰值處的變形影響更小，因此認為此加強形式對增加耐壓液艙的承載能力作用并不明顯。

圖3 跨中加中間支骨加強

2）見圖4，加強形式即在艙壁板加強筋根部加肘板。

此加強形式對于降低緊靠＃1耐壓殼體部位的σ1是有很大的作用。但是對改善整個耐壓液艙的承載能力卻無多大好處，因為該加強形式不過是將σ1的峰值部位由＃1處轉移到11處而已，而且11處的殼體應力分布梯度更惡化。這一點在過去的試驗研究中已經得到證實。當兩塊肘板之間間距小到某一數值如1／3（肋距）時，情況又當別論。但是顯然這是不切實際的加強方式。

圖4 艙壁板加強筋根部加肘板

3）加強形式見圖5。在＃0～＃1之間加中間肋骨如在01點，01～1的距離小于或等于1／2肋距。這樣能有效地降低＃0～＃1肋骨間耐壓殼體受外載荷作用下的變形，也即減小對＃1～＃2間耐壓殼體的變形影響。01越靠近1點，效果越明顯。考慮到實際施工中施焊的因素，可將01肋骨布置于耐壓殼體內進行加強。

圖5 液艙外一擋肋距加中間支骨

4）另一種加強形式既將＃1、＃5肋骨區域的耐壓殼體板改為厚板，見圖6。其厚度tj＝1．7～2．0t，寬度b≈1／3（肋距）。此加強方式可對艙壁板處的轉角進行抑制，對于提高耐壓液艙部分的承載能力具有一定的幫助，同時實際施工方面亦較為理想。

圖6 耐壓殼體液艙壁板根部耐壓體加厚板

3 結論

潛艇耐壓液艙結構的力學行為和破壞機理相當復雜，其影響因素還有很多，包括結構型式、材料特性、工藝和公差、總體和性能需求等等。計算結果及分析結論還可能受到耐壓液艙總體幾何尺度、結構參數及其匹配程度等因素的影響。

由于潛艇的下潛深度不斷加大，外置式耐壓液艙結構所使用的板材厚度、結構重量及容重比成為制約其結構設計的瓶頸。文中旨在對于已相對固定的耐壓液艙結構參數的情況下，對其結構局部進行加強，以期進一步挖掘其承載能力，避免潛艇因下潛深度增加帶來的耐壓液艙結構承載能力和結構重量之間的矛盾。

［1］朱邦俊，萬正權．潛艇耐壓液艙結構強度研究［J］．船舶力學，1998（1）：28-36．

［2］黃加強，賀小型．帶縱骨實肋板式耐壓液艙殼板強度計算方法研究［J］．中國造船，1996（3）：77-86．

［3］羅 斌，陳 強，徐云椿．潛艇縱骨式全實肋板耐壓液艙殼板強度計算方法研究［J］．中國造船，1999（2）：74-80．

The destruction reason and reinforcement of submarine′s pressure tank structure

GONG Jun-lai
Wuhan Second Ship Design Institute Wuhan 430064

The structural destruction reason of the pressure hull of submarine′s pressure tank under outside loadings is often related with the loading condition of the neighbouring pressure hull．The deformation of the neighbouring pressure hull has great effect upon the structure of pressure tank．Based on the theoretical calculation，FE analysis and experimental research of the submarine′s pressure tank，the authors discuss about its structural destruction reasons and the corresponding stiffening pattern．

pressure tank structural destruction reason reinforcement

U661．42

A

1671-7953（2007）02-0032-03

2006-07-29

修回日期2006-10-12

龔君來（1972—），男，大學，工程師。