超大潛深潛器耐壓結構參數設計可行區域研究

張乃樑，馬建軍，伍 莉

(1.武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引言

潛器耐壓結構方案設計在滿足結構安全性要求的前題下，追逐的結構參數優化目標不是單一的，如最輕結構重量［1］、最佳強度、最佳建造工藝、最低造價、最佳質量和最佳可靠性等［2］，所有這些都與潛器耐壓結構參數密切相關，超大潛深潛器總體結構方案論證時必需綜合平衡各優化目標要求，優化結構參數。在結構方案論證階段，迫切需要一種方便有效的結構參數快速選取方法，以滿足超大潛深潛器結構方案設計和優化需要，提高總體結構方案論證效率。

超大潛深條件下潛器耐壓殼體承受著巨大的海水壓力，為確保潛器內部人員和設備安全，潛器耐壓殼體必須首先具有足夠的強度和穩定性［3］。分析表明，結構的強度和穩定性主要與3個無量綱結構參數有關，也就是說理論上應該存在一個設計可行區域，在該區域內所有點都能同時滿足結構強度和穩定性要求，結構參數的優化可在該區域內進行。本文在分析超大潛深潛器耐壓結構強度標準和強度計算方法的基礎上，提出超大潛深潛器耐壓結構參數設計可行區域的設計思路和可行區域邊界計算方法，針對高強度鋼、超高強度鋼材料和現有潛器結構參數取值范圍，通過理論分析和編程計算，繪制出超大潛深潛器耐壓結構參數設計可行區域圖譜，為超大潛深潛器總體結構方案論證提供了一個有力的設計工具。

1 研究思路

1.1 研究對象

研究對象為典型帶肋圓柱殼結構。結構材料為高強度鋼和超高強度鋼，屈服點分別為常規潛器計算壓力的184倍和230倍。

1.2 安全系數和計算壓力

安全系數K是修正理論計算方法和工程實際問題之間差異的1個修正系數。它與腐蝕、建造、超深、材料物理特性、疲勞、理論計算與實際結構之間差異等諸多因素相關［4］，是確保潛器結構安全性所必需的。由于設計思想和使用條件不同，各國潛器安全系數K取值也不完全相同，通常在1.4～1.7之間［5］，本文暫取K=1.5。

超大潛深潛器極限壓力取常規潛器的2倍。計算壓力為極限壓力乘以安全系數K。

1.3 結構參數設計可行區域設計

根據文獻［3］，潛器耐壓殼體安全性要求包括3個應力控制標準、肋間殼板失穩臨界壓力控制標準和總體失穩臨界壓力控制標準。其中，3個應力控制標準中的控制應力和肋間殼板失穩臨界壓力表達式均為3個無量綱參數［R/t，u，β］的函數，而總體失穩臨界壓力表達式則為上述3個無量綱參數和1個與肋骨剖面慣性矩相關的無量綱參數I/R3l的函數。也就是說，即使在參數［R/t，u，β］確定的情況下，也可以通過調整肋骨剖面慣性矩I，使得總體失穩臨界壓力滿足結構安全性要求。這樣，潛器耐壓殼體安全性要求由5個減少為4個，它們共同圍成一個區域，該區域內所有點都能同時滿足結構強度和穩定性要求，該區域即為超大潛深潛器耐壓結構參數設計可行區域。

2 結構參數設計可行區域分析

2.1 結構參數取值范圍

根據結構材料特點和實際工程應用情況，參照文獻［6］中給出的［R/t］取值范圍，采用高強度鋼材料超大潛深潛器結構參數［R/t］取值范圍為70～110，采用超高強度鋼材料超大潛深潛器結構參數［R/t］取值范圍為85～125。

2.2 應力控制標準分析

根據文獻［3］中3個應力控制標準為:

殼板跨中周向平均應力

殼板跨端內表面縱向應力

肋骨應力

根據以上應力控制標準和文獻［7］給出的輔助函數K1，K2和Kl表達式，可導出超大潛深潛器結構參數設計可行區域應力控制邊界曲線表達式，式中F1，F2和F4均為無量綱結構參數u的函數。

殼板中面周向應力控制標準對應的邊界曲線:

殼板內表面縱向應力控制標準對應的邊界曲線:

肋骨平均應力控制標準對應的邊界曲線:

2.3 肋間殼板失穩臨界壓力控制標準分析

文獻［3］肋間殼板失穩臨界壓力控制標準為:

臨界壓力控制標準和文獻［7］給出的修正系數Cs和Pe表達式，可導出超大潛深潛器結構參數設計可行區域肋間殼板失穩臨界壓力控制邊界曲線表達式，式中Cs和Pe為無量綱結構參數u和R/t的函數，

3 結構參數設計可行區域計算

上節分析表明，超大潛深潛器耐壓結構參數設計可行區域的3個應力控制標準和1個肋間殼板失穩臨界壓力控制標準邊界曲線均為無量綱結構參數［R/t，u，β］的函數，針對每一確定的［R/t］值，采用編程計算方法，都可以得出4條曲線，共同構成超大潛深潛器結構參數設計可行區域，一系列［R/t］值對應的結構參數設計可行區域則構成超大潛深潛器結構參數設計可行區域圖譜。

3.1 高強度鋼潛器結構參數設計可行區域圖譜

采用高強度鋼材料超大潛深潛器結構參數設計可行區域計算結果見圖1～圖5。

3.2 超高強度鋼潛器結構參數設計可行區域圖譜

采用超高強度鋼材料超大潛深潛器結構參數設計可行區域計算結果見圖6～圖10。

圖6 超高強度鋼材料結構參數設計可行區域(R/t=85)Fig.6 The chart of higher strength steel structure parameter feasible design region(R/t=85)

4 結語

本文通過分析超大潛深潛器耐壓結構安全性控制標準，給出了結構參數設計可行區域邊界曲線表達方法，針對采用高強度鋼和超高強度鋼材料典型帶肋圓柱殼結構，采用編程計算方法，繪制出了結構參數設計可行區域圖譜，為超大潛深潛器總體結構方案論證提供了一個有力工具，得出的主要結論如下:

圖10 超高強度鋼材料結構參數設計可行區域(R/t=125)Fig.10 The chart of higher strength steel structure parameter feasible design region(R/t=125)

1)結構參數設計可行區域內的所有點均能滿足超大潛深條件下耐壓結構強度和穩定性要求;

2)材料相同情況下，隨著結構參數R/t值的增大，結構參數設計可行區域逐漸縮小;

3)材料不同情況下，結構參數R/t的取值隨材料屈服點的提高而增大;

4)在現有超大潛深潛器結構參數取值范圍內，相鄰肋骨跨中殼板中面周向應力標準控制邊界曲線遠在穩定性標準控制邊界曲線之上，即設計可行區域不受相鄰肋骨跨中殼板中面周向應力標準限制。

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