單/雙殼體潛艇結構耐撞剩余強度特性研究

梅志遠 李 卓 呂巖松

海軍工程大學船舶與動力學院，湖北武漢 430033

單/雙殼體潛艇結構耐撞剩余強度特性研究

梅志遠 李 卓 呂巖松

海軍工程大學船舶與動力學院，湖北武漢 430033

單/雙圓柱殼體結構是潛艇的兩種典型結構形式。以單/雙殼體潛艇典型結構為研究對象，分別設計初始深水靜壓強度相當的典型單/雙耐壓環肋圓柱殼體結構模型，基于MSC／Dytran罰函數接觸算法，開展相同撞擊強度載荷作用下結構模型耐撞動態響應特性分析，提取撞擊后結構模型中耐壓殼體結構的穩定變形位移場，作為MSC／Marc靜強度求解的初始位移邊界條件輸入，通過有限元數值方法，對撞擊后典型單/雙結構耐壓殼體結構的剩余強度特性進行比較分析。分析結果表明，當撞擊載荷強度較低時，雙殼模型的耐壓殼體結構剩余強度較大，隨著撞擊載荷強度的不斷增大，單/雙殼結構耐壓殼體結構的剩余強度將趨于一致，進一步提高撞擊載荷強度，單殼體結構的剩余強度將高于雙殼體結構。

結構；碰撞；剩余強度；數值分析；潛艇

1 引 言

艇體結構是保障潛艇各系統正常工作的基本平臺。在戰時及訓練期間，潛艇處于十分復雜的環境中，如果艇體在觸礁（浮冰）、擱淺和碰撞等意外事故中遭受撞擊，將有可能導致潛艇喪失戰斗力和生命力。根據國外核潛艇事故統計（1954～2000年），其中碰撞事故共發生102起，占事故總數的42%。潛艇若發生碰撞事故，輕則艇體損壞，重則艇毀人亡［1］。因此，對潛艇結構的碰撞安全性進行研究具有重要的現實意義［2-3］。

單/雙殼體是潛艇結構的主要結構形式。針對在撞擊載荷下潛艇結構的耐撞強度特征以及水下碰撞環境等問題，近年來已開展了部分研究工作［4-5］。但有關兩種結構形式在相同強度撞擊載荷作用下剩余強度特性的比較性研究工作，目前還開展得極為有限。我國在潛艇結構的設計方面多采用雙殼體結構。就耐撞能力而言，雙殼體結構是否完全優于單殼體結構，以及在不同的撞擊環境下，兩種結構形式的耐撞特性如何評價等問題目前還尚未獲得滿意的答案。本文針對單/雙殼體潛艇結構碰撞剩余強度比較問題開展研究，提出兩階段分步求解法，即由動態顯式求解法首先得到相同撞擊載荷強度下單/雙殼典型結構的變形位移場，然后以變形后的位移場做為靜強度求解的初始結構邊界狀態，進行靜強度比較分析，以探討單/雙殼體結構耐撞剩余強度特性規律。本文的研究工作對于開展潛艇結構的動強度設計具有重要的工程意義。

2 單/雙殼體潛艇典型結構計算模型設計

為便于比較分析，以極限強度載荷與結構重量基本相當為原則，分別設計了相應的單、雙殼體潛艇典型舯部結構簡化計算模型，如圖1和圖2所示（計算模型結構尺度參數見圖中標識）。

圖1 雙殼體結構計算分析模型Fig.1 Analysismodel for double hull structure

3 單/雙殼體結構模型靜強度特性分析

為便于比較撞擊后單/雙殼體模型的剩余強度特性，首先應用MSC／M arc對兩個模型的靜強度特性進行了初始分析，計算結果如表1所示。

表1 單/雙殼體模型耐壓殼體結構靜強度特性分析結果Tab.1 The calculation results under static pressure load for single and double hulls

由表1可看出，所設計的單/雙殼體計算分析模型耐壓殼體結構的初始靜強度基本相當。

4 撞擊載荷作用下單/雙殼體結構的動態響應特性分析

單/雙殼體模型在受到撞擊載荷作用時，若撞擊體的質量和撞擊速度不同，結構的響應便也不同，因此，分別變化撞擊體的質量和撞擊速度，應用MSC／Dytran的罰函數接觸算法［6］分別計算單/雙殼體結構在不同能量沖擊作用下的結構形變結果，即可得到單/雙殼體結構撞擊后的形變位移場。圖3所示為計算模型在受到300 kg撞擊體7m／s速度沖擊載荷作用后的形變位移場分布情況，圖4所示為計算模型在受到1 000 kg撞擊體7m／s速度沖擊載荷作用后的形變位移場分布情況。其余各計算結果本文不詳細列出。

5 單/雙殼體結構剩余強度特性分析

圖3 模型撞擊后形變位移場分布特征Fig.3 The displacement distribution after impact

圖模型撞擊后形變位移場分布特征Fig.4 The displacement distribution after impact

單/雙殼體結構在受到撞擊載荷作用后的剩余強度用于描述受損結構的強度特性，是相對于完整結構初始強度特性而言的，它是評價單/雙殼體結構形式耐撞特性的一項重要指標。利用MSC／Dytran對典型結構在撞擊載荷作用下的動態響應特性進行計算與分析后，將結構穩定后的變形位移場作為初始邊界條件，導入MSC／M arc軟件進行塑性極限強度特性分析，即可實現對結構耐撞剩余強度的特性分析。計算結果如表2所示。計算模型在受到300 kg撞擊體7m／s速度沖擊載荷作用及1 000 kg撞擊體7m／s速度沖擊載荷作用后，在靜水外壓力作用下模型的典型破壞模式如圖5、圖6所示。

6 計算結果分析

通過以上計算可以看出，對于具有相同初始靜強度的單/雙殼體典型舯部結構，單殼體結構的重量較雙殼體結構的總重量約輕10%，可見在保證靜強度的前提下，單殼體結構在重量上具有優勢。

為進一步對比兩型結構的剩余強度特性，在此引入了相對剩余強度系數γ。

表2 單/雙殼體模型的剩余強度及破壞模式Tab.2 The residual strengh and damagemode of single and double hull structure

圖5 單/雙殼體耐壓結構典型靜強度破壞模式Fig.5 The typical damagemode of single and double hull structure after impact（strikermass：300 kg，velocity：7m/s）

圖6 單/雙殼體耐壓結構典型靜強度破壞模式Fig.6 The typical damagemode of single and double hull structure after impact（strikermass：1 000 kg，velocity：7m/s）

式中，Sr為結構剩余極限強度值；Si為結構初始極限強度值。

圖7所示為不同撞擊能量下，單/雙殼體結構模型中耐壓殼體結構相對剩余強度系數的分布規律。結果顯示：

1）由于撞擊載荷的作用造成了耐壓環肋圓柱殼體凹陷損傷，從而導致環肋圓柱殼體剩余強度的不斷下降，因此，隨著撞擊能量的增加，結構模型耐壓殼體的相對剩余強度整體上呈顯著的下降趨勢。

圖7 單/雙殼體模型相對剩余強度特性分布規律Fig.7 The distribution of relative strengh for single and double hull structures

2）在受到橫向撞擊載荷作用后，由于非耐壓殼的破損斷裂能吸收了一定的撞擊能量，雙殼體模型耐壓殼受到的沖擊要小于單殼體模型，因此，其剩余強度將高于單殼體模型。單/雙殼體水下橫向撞擊變形吸能機理的研究工作可參見文獻［7］。

3）雙殼體模型較單殼體模型剩余強度的優勢將隨著撞擊能量的增加而逐漸減小。因隨著撞擊能量的增加，雙殼體模型非耐壓殼破損時所吸收的能量占總撞擊能量的比例是逐漸下降的，而耐壓殼吸收能量的比例是逐漸增加的。當撞擊能量足夠大（假設此時耐壓殼體無破裂），非耐壓殼破損時吸收的能量與總能量相比很小時，單/雙殼耐壓結構的相對剩余強度會逐漸趨于相當，當撞擊載荷進一步增大時，單殼體結構的剩余強度將高于雙殼體結構。

7 結 論

針對潛艇單/雙殼體結構撞擊載荷作用下剩余強度特性的比較分析問題，本文提出了兩階段分步求解方法，分別對單/雙殼體潛艇典型結構在受到橫向撞擊載荷后的動態響應特性及剩余強度特性進行了比較分析，結果表明：

1）在靜強度相當的情況下，單殼體結構較雙殼體結構的重量輕。

2）受到橫向撞擊載荷作用后，如果沖擊能量較小，雙殼體結構由于有非耐壓殼體的防護作用，其剩余強度將高于單殼體結構。但隨著撞擊載荷能量的增加，非耐壓殼體結構吸能在結構整體吸能中所占的比重會下降，單/雙殼體結構的剩余強度趨于一致，當撞擊載荷進一步增大時，單殼體結構的剩余強度將高于雙殼體結構。

［1］ 楊連新.國外核潛艇事故分類 ［J］.現代艦船，2001（4）：20－21.

［2］ MONTFORT C，CHAUVETM.Analysis of the collision of a s ubmarine［C］//68th Shock and Vibration Symposium，1997：619－632.

［3］ DONNER R，BESNIER F，SOURNE H L.N umerical simulation of ship－submarine collisions ［C］//8th International Symposium on Practical Design of Ships and Other Floating Structures， 2001：1309－1314.

［4］ 梅志遠，朱錫，呂巖松.層間水對水下雙層結構撞擊歷程的影響分析［J］.船舶力學，2007，11（2）：259－264.

［5］ 胡志強，崔維成.船舶碰撞機理與耐撞性結構設計研究綜述［J］.船舶力學，2005，9（2）：131－142.

［6］ 譚大力，梅志遠，陳煒燃.考慮靜水壓力的加筋圓柱殼體徑向碰撞機理研究［J］.船舶力學，2008（12）：635－641.

［7］ 梅志遠，張偉，李卓.雙殼結構水下耐撞變形吸能特性分析［J］.海軍工程大學學報，2010（22）：54－59.

Com parison of Residual Strength Characteristics for Double and Single Hull Submarine Subjected to Im pact Loading

Mei Zhi－yuan Li Zhuo Lü Yan－song
College of Naval Architecture and Power， Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China

T he single and double hull are main types of submarine structure.In order to compare the residual strength characteristic of two type structure s after impacted，the two type structuremodes have been designed and used with same initial static strength.First， the dynamical response of this two structuremodes under the same impact load was calculated based on FE code-MSC／Dytran， then the residual displacement field was picked out，the static strength analysis was carried out based on FE code-MSC ／Marc.The comparison analysis results show that the double hull structure have higher residual strength， when the collision load is low.However， with the impact load increased， the residual strength of this two types structure will correspond with each other.

hull structure； collision； residual strength； numerical analysis； submarine

U661.4

A

1673-3185（2011）05-07-04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.05.002

2011-02-16

軍隊“十一五”武器裝備預先研究基金資助（1010501030101）

梅志遠（1973-），男，副教授，碩士生導師。研究方向：艦艇結構力學。E-mail：zhiyuan＿mei＠163.com