大深度救生鐘耐壓結構的優化設計

苗蘭森，胡 勇，沈允生

（1.海軍司令部駐天津地區防救軍事代表室，天津300042；2.中船重工集團公司第702所，江蘇 無錫214000）

大深度救生鐘耐壓結構的優化設計

苗蘭森1，胡 勇2，沈允生2

（1.海軍司令部駐天津地區防救軍事代表室，天津300042；2.中船重工集團公司第702所，江蘇 無錫214000）

針對某型救生鐘的救生艙耐壓殼體，推導出典型水下耐壓結構的計算公式，建立結構優化數學模型，并編制計算程序以求解結構最優尺寸，在此基礎上確定耐壓結構的設計尺寸。對設計結果采用有限元計算和規范計算比對分析，結果證明采用程序計算設計的優化尺寸滿足工程要求。本文提供的計算方法可為水下環肋耐壓殼體結構工程設計提供參考。

大深度；救生鐘；結構優化設計

救生鐘是目前國內外普遍使用的一種援潛救生裝備。該裝備在水下通過與潛艇對接平臺對接，將失事潛艇艇員轉移到救生鐘的救生艙室內。艇員搭乘救生鐘轉移到水面母船。救生鐘的救生艙是由高強度鋼加工而成的耐壓結構。對于救生鐘結構的優化設計，在滿足工作深度要求的條件下，追求以較輕的耐壓殼體重量獲取較大的密閉耐壓空間，即重量浮力比最小化是評價耐壓結構的設計是否優化的重要指標。本文針對某型救生鐘的耐壓結構設計進行了優化分析，在滿足規范要求的基礎上，開發了一套優化設計程序，用于尋找最優結構尺寸。在此基礎上，對程序計算、有限元計算和潛水器設計規范計算進行了比較，證明了結構設計的優化性。

1 典型結構的優化設計

1.1 基本參數

救生鐘的耐壓結構主要分為環肋圓柱結構、扁球封頭結構和開口加強結構3種。這些結構內部空間尺寸是根據設備布置與營救人數的需要而定。因此，其排水體積基本上是根據總體設計需要而得到的確定值。在排水體積和設計工作深度確定的條件下，最小結構重量是最優設計目標。其相關材料和設計指標如下：

主體結構材料：921A鋼

彈性模量：E＝1.96 GPa

泊松比：μ=0.3

密度：G=7 850 kg/m3

材料屈服點：σs＝590 MPa

安全因數：K＝1.5

極限工作深度：he=200 m

計算深度：hc=300 m

環肋圓柱殼體半徑：R＝0.9 m

救生艙有效長度：L＝2.2 m

1.2 環肋圓柱殼體的優化設計

受外壓的環肋圓柱殼的主要破壞形式有以下3種：（1）強度破壞；

（2）筋間殼板失穩破壞；

（3）總體失穩破壞。

3種破壞形式的極限破壞壓力通常是不一樣的。當3種破壞形式的極限壓力比較接近時，可以認為結構的效率最高。

強度破壞是經歷由彈性到塑性，最后到斷裂的漸變過程；筋間殼板失穩后，整個環肋圓柱結構并不一定立即開裂透水，而總體失穩破壞會立刻危及乘員安全。因此，對環肋圓柱殼結構設計時，在滿足強度要求的前提下，總體失穩壓力設計為略大于筋間殼板失穩壓力。

參考潛艇及潛水器規范要求，超大潛深救生鐘的環肋圓柱殼結構應滿足以下約束條件：

殼板跨中中面周向應力：

殼板跨端內表面縱向應力：

肋骨應力：

筋間殼板屈曲壓力：

式中：Pj為計算壓力，即300 m水深壓力。

總體屈曲壓力：

環肋圓柱殼的優化設計以滿足主尺度條件下殼體最輕為目標函數。以潛艇結構設計計算方法中規定的最小應力要求和最小穩定性要求為約束條件，即在滿足式（1）～式（5）的

環肋圓柱殼的半徑R，總長L為已知量。殼板的厚度t，肋骨間距l，加強筋的剖面面積F，加強筋的慣性矩I為4個未知變量。在這4個未知變量中，加強筋的剖面面積F和慣性矩I不是相互獨立的變量。如果采用球扁鋼作為加強筋，其剖面面積和慣性矩依型號而定。因此，在不同球扁鋼型號下，可把F和I視為定值，這樣只有t和l兩個獨立變量確定結構的幾何尺寸。在滿足式（1）～式（5）的條件下，耐壓殼體相對比重最小的幾何尺寸定為最優方案。

因此，分別取不同型號球扁鋼為加強筋，以t和l為獨立變量，同時滿足以下不等式組：

該不等式組中，Kf，K1，K2，Cs均與參數 u，β 相關， 查圖譜而定。為了便于程序計算，將圖譜回歸成二元二次多項式，具體回歸方法如下：

（1）利用系數的數值表結果，首先利用最小二乘法原理回歸出 fu=u0（β）；

（2）計算出β相對于u0的影響系數；

利用兩元非線性回歸分析可得到如下的計算公式：

根據上述回歸公式，本文編制了相應分析程序尋找滿足規范要求的最佳尺寸（重量最輕）。表1為程序計算結果。從表1的程序計算結果可以看到，最優尺寸選擇應該是殼板厚度5.7 mm，肋骨間距150 mm，球扁鋼號5，總重量604.7 kg。結構最先接近許用強度的是局部失穩。在實際設計時，考慮到肋骨間距太小，焊接量大，變形控制要求高，選用肋骨間距為400 mm，5號球扁鋼肋骨加強，對應殼板厚度不小于8.5 mm即可滿足強度要求。對應總重量為731.3 kg。

1.3 扁球封頭設計

救生艙的上下封頭為受外壓扁球封頭。根據規范要求，需滿足強度和穩定性兩項要求，即：

表1 優化結果

式(11)可將式(12)～式(14)代入后進行迭代計算，尋找最優化厚度。根據程序計算結果，上封頭和下封頭的最優厚度為16.1 mm，實際設計取18 mm，此時殼板應力為439 MPa，失穩壓力為3.0 MPa。

1.4 開孔加強設計

艙口蓋開口加強通常有兩種方法，一種方法是采用法蘭加強形式，一種是采用圍欄加強形式。對于本結構采用圍欄加強更加有利，原因是法蘭下封頭的殼體厚度較薄，與法蘭連接過渡區域較大，圍欄加強結構形式更加簡單。對于受外壓的圍欄加強結構，潛水器設計規范規定按照數值計算方法進行計算，圍壁與殼體連接處板邊緣的中面周向應力不超過材料屈服強度的1.15倍。

本文采用有限元方法搜索最小結構尺寸。搜索結果為圍欄最小厚度t1＝21.8 mm，有效高度h＝157 mm，可以滿足規范要求。 實際設計取 t1＝25 mm，h＝180 mm。

1.5 優化設計結果

根據程序計算結果，救生艙耐壓結構選取表2幾何尺寸。

表2 程序優化得到的幾何尺寸

表3 計算結果比較

2 有限元分析及比較

采用通用有限元軟件Ansys進行分析。選取整個耐壓結構（不包括轉裙）為分析對象，進行三維有限元結構建模，有限元模型包括艙室殼板、肋骨、上下封頭、出入艙口蓋圍欄等。計算模型可根據結構的對稱性取1/2進行計算；計算模型的殼板、圍欄、上下封頭均采用板殼單元，肋骨采用梁單元，模型總共劃分了79 343個單元，其中板殼單元全部采用Shell-63單元，共有71 201個，梁單元全部采用Beam-188單元，共有 9 142個。

圖1為殼板綜合應力云圖；

圖2為環肋綜合應力云圖；

圖3為下封頭中面應力云圖；

圖4為上室圓門加強圍欄中面應力云圖；

圖5為鐘本體綜合應力云圖。

圖1 殼板綜合應力云圖

圖2 環肋綜合應力云圖

圖3 下封頭中面應力云圖

圖4 上室圓門加強圍欄中面應力云圖

圖5 鐘本體綜合應力云圖

3結論

（1）采用普遍應用于工程設計中的優化方法，設計大深度救生鐘耐壓環肋結構，不僅可以大大提高材料的利用率，降低產品的材料成本，而且通過減輕裝備重量，提高了裝備的機動性能，降低了對工作母船吊裝設備的要求，減輕了操作使用強度。

（2）采用回歸公式編制計算程序尋找結構最佳尺寸，并在此基礎上進行結構優化設計，經與有限元計算和規范計算比對，其結果滿足實際要求，表明計算方法和程序合理、正確、可靠，可以用于同類工程設計。

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[5]胡勇.考慮筋/板相互作用的環肋圓柱殼屈曲強度分析[J].船舶力學，2005，19（4）：89-97.

Abstract：The framework optimization mathematic model is built on the computation formulation for typical underwater stress resistant framework deduced for a certain rescue bell.The design dimension is confirmed by the computation program.The analysis by finite element calculation and criterion computation proved that the design dimension fulfill the engineering requirement.The computation method could provide a reference for engineering design of the framework of rescue bell.

Key words：deep water;rescue bell;framework optimization design

Stress Resistant Framework Optimization Design of Deep Water Submarine Rescue Bell

MIAO Lan-sen1,HU Yong2,SHEN Yun-sheng2
（1.The Navigation Guarantee Department of Chinese Navy Headquarters,Tianjin 300042,China;2.China Ship Science Research Center,Wuxi Jiangsu 214082,China）

P755.2，E925.66

A

1003-2029（2011）01-0095-05

2010-09-01條件下重量最輕。