基于CCS和GL規范的深潛器耐壓結構計算研究

劉 偉，楊卓懿，龐永杰，陸 振

(哈爾濱工程大學 船舶工程學院，哈爾濱150001)

環肋圓柱殼作為一種耐壓結構，在潛水器中有著廣泛的應用，是潛水器核心設備的保護體。對于潛器耐壓結構的初步設計，通常是基于規范。目前現行的潛器規范中，德國GL潛器規范［1］發展歷史相對較長，其最新的潛器規范［2-3］針對載人潛水器及ROV、AUV等無人潛水器的各自特點，進行了詳細的分類，并定義了相應的設計計算準則。尤其對于耐壓結構的制造誤差、焊接變形等方面有一套獨特的計算方法。目前我國的潛器規范［4］中對圓柱形耐壓殼的強度和穩性計算及其衡準，基本上是套用了潛艇設計計算規則中的有關部分［5］。潛水器與潛艇雖然結構相似，但也有許多不同點。建造潛水器的材料一般是采用具有高比強度高比剛度的金屬或非金屬材料，采用這些高強度材料可使潛水器具有較深的工作深度，并能有較大的有效負荷［6］。通過對兩國規范相應的強度和穩性特征量計算和校核方法對比，可為我國潛器規范的更新完善提供相應的借鑒。

1 表征強度和穩性的特征量計算方法

在CCS潛器規范和德國GL潛器規范中，承受外壓的環肋圓柱殼需要計算的強度和穩性特征量主要包括殼板強度、肋骨強度、殼板穩性、艙段總體穩性。

1.1 CCS潛器規范設計計算方法

1.1.1 安全系數把計算深度與工作深度之比稱作安全系數，計算壓力取為最大許用工作壓力的1.5倍。

1.1.2 殼板強度

圓柱形殼體的殼板應力應檢驗跨度中點處殼板縱剖面上的中面周向平均應力σ1和支座邊界處殼板橫剖面上內表面應力σ2。見式(1)、(2)。

式中:pj——計算壓力;

Ro——耐壓圓柱殼體半徑;

t——殼板厚度。

所得應力應滿足:σ1≤0.85σs

所得應力應滿足:σ2≤1.15σs

1.1.3 肋骨強度

肋骨應力，取其周向應力來表征，按式(3)計算。

所得應力應滿足:σf≤0.6σs

以上式中:k1，k2，kf均為系數，可由參數u，β查規范［7］的相應圖表決定。

式中:L——肋骨間距;

f——肋骨剖面面積。

1.1.4 殼板穩性

式中:pe——理論臨界壓力，按照式(5)計算。

式(6)中Cs為材料非線性修正系數，根據σe/σs查規范［7］的相關圖譜確定。

所得屈曲壓力值應滿足pcr≥pj。

1.1.5 總體穩性

對艙段長度L之間的殼板和肋骨，應校驗其總體穩性，總體失穩壓力pcr由式(8)確定。

式中:pe——理論臨界壓力，按式(9)計算。

式中:n——周向失穩波數，應使pe最小，Cs與上節相同，可查規范［7］的相關圖譜確定。

所得總體失穩壓力應滿足pcr≥1.2 pj。

1.2 德國潛器規范設計計算方法

1.2.1 安全系數

德國GL潛器規范與我國潛器規范類似，也是在明確計算壓力pj的情況下，計算得到殼板和肋骨的各種應力。但德國潛器規范對于計算壓力定義了三種不同的工況:名義下潛壓力pNDP，測試下潛壓力pTDP和極限下潛壓力pCDP，針對這三種不同工況需要進行各自的計算和強度以及穩性校核。名義下潛壓力pTDP=0.101(105Pa/m)×下潛深度H(m)。同時，德國潛水器針對載人和無人潛水器的不同特點，設置了相應的安全系數，其安全系數隨深度變化見表1和表2。

表1 載人潛水器安全系數與深度關系

表2 無人潛水器安全系數與深度關系

1.2.2 殼板強度

跨中處殼板強度由式(10)和式(11)確定。

式中:σo——非環肋圓柱殼周向應力;

σbx，M——肋骨間縱向彎曲應力;

σmx———縱向薄膜應力;

s——殼板厚度;

Rm——耐壓圓柱殼的平均半徑;

ν——泊松比;

WM——肋骨中點徑向位移;

L——肋骨間距;

sw——肋骨寬度。

參數Aeff，F2，F4的計算方法，由GL規范有關算式計算，此處不一一列出。

在跨端處殼板強度按照式(12)和式(13)確定。

所得的應力應滿足

式中:σbx，F——肋骨處周向應力;

WF—肋骨處徑向位移;

σmφ，F——肋骨處縱向彎曲應力;

Rm，20°——室溫為20℃時的最小抗拉強度;

ReH，t——設計溫度下材料的屈服極限或材料應變為0.2%時對應的應力;

A、B的取值見規范［7］;

σx，σφ——軸向和周向應力;正負號表示殼體的外內表面;

F3——參數。

1.2.3 肋骨強度

周向應力為

彎曲應力為

式中Wel按式(16)計算，e等參數計算方法，此處不一一列出。

式中:wo——肋骨圓度誤差;p——極限下潛壓力。

png按式(22)確定。文獻［2］給出Rf、RD。

1.2.4 殼板穩性

理論彈性屈服壓力按照式(17)計算。

理論彈塑性屈服壓力按照式(18)計算。

式中切線模量Et和割線模量Es可由式(19)和式(20)得出。

理論彈塑性屈服壓力picr乘以r應大于計算壓力pj，其中折減系數r按式(21)計算。

1.2.5 總體穩性

式中PF和PB按式(23)和式(25)計算。

式中:RC，D——到肋骨型心的半徑;

IF——肋骨附連帶板的慣性距。

帶板長度Leff由式(24)計算。

式中:n——周向失穩半波數，其它參數的定義和計算方法可見規范［2］。

所得到的屈曲壓力應滿足于png＞1.07Pj。

2 規范計算及校核方法的對比分析

為了更直觀地體現兩國規范的差異，下面給出算例，同時應用有限元軟件對相應強度特征量進行計算，與規范中相應計算結果，進行逐一的對比(見表3)，并對造成的差異進行分析。

表3 兩種計算結果的比較

該潛器圓柱形耐壓艇體及下潛深度等參數為:圓柱殼長L=9.2 m，圓柱殼半徑R=875 mm，殼板名義厚度t0=24 mm，肋骨采用球緣扁鋼ΓNO.18a，肋骨間距為l=450 mm，鋼材屈服極限為σs=800 MPa，鋼材彈性模數E=2.06×105MPa。潛器工作深度為h=1 000 m，安全系數統一取為CCS規范值1.5，故計算壓力pj=15 MPa。

通過表2可以看出，兩國規范對于強度和穩性特征量的計算大體相同，但具體的數值和校核方法存在差異。

1)兩國規范都是在明確計算壓力pj的前提下，計算得到殼板和肋骨的相應應力，我國規范考慮了縱向力對殼彎曲的影響即梁柱效應，而GL規范則沒有體現。

2)兩國規范對于相應強度特征量的計算較為一致。但在強度的衡準上，GL規范是對于等效應力進行校核，同時考慮了耐壓殼體內外表面應力的不同，而CCS規范考慮的是應力最大的那個表面。在校核安全系數方面，CCS規范對不同的強度特征量的要求不同。

3)在肋骨應力的考慮上兩國規范有較大差異。德國GL規范對于內外肋骨布置形式和偏心距有所考慮，我國這方面沒有做任何處理。這樣無論內外肋骨，無論腹板高低，只要橫剖面積一樣，其計算結果就相同。這顯然是不合理的，此外，我國規范在肋骨強度校核準則中認為，肋骨平均應力中包含了肋骨周向應力和附加彎曲應力兩項，但是在計算中，僅用肋骨的周向應力表示了肋骨平均應力，對于初始缺陷造成的附加彎曲應力，沒有考慮，致使計算結果較GL規范和有限元計算偏小。德國GL規范對于制造誤差有相應的計算公式和測量方法，在計算中將肋骨應力細分成兩部分考慮(壓應力和彎曲應力)，彎曲應力占到了肋骨應力的25.8%，比重較大，并通過兩者的絕對值和來校核結構強度。

4)兩國規范在殼板穩性的計算上和安全衡準方法上差別較大，CCS規范經過幾何非線性和物理非線性修正使得許用應力較低。但對于大深度潛水器因其耐壓殼材料采用高強度材料，耐壓殼半徑厚度比值小，耐壓殼破壞壓力的計算不能完全套用潛艇規范的修正系數。德國GL規范計及了材料彈性模量與應力之間的非線性關系，通過應力與材料比例極限大小的判斷，在耐壓殼彈性屈曲公式中引入非彈性段的材料切線模量Et和割線模量Es，從而考慮了材料非線性影響，因此算例中德國規范得到的應力未達到材料的比例極限，仍屬于彈性范圍。與CCS規范差別較大。在校核時德國GL規范并未區分幾何非線性和物理非線性，而是計算得到的理論彈塑形臨界壓力乘以折減系數r大于計算壓力即可。

5)在總體穩定性的計算上，兩國規范基本上是一致的。理論臨界壓力的計算上，GL規范比我國規范偏高10.7%，主要是由于附連帶板的取值引起的偏差，可以看出，我國規范取一檔肋距為附連帶板寬是偏危險的，而GL規范在半徑的選取上考慮更全面。修正系數的選擇上，GL規范是直接取為1.07，并把得到的結果就作為最大的允許工作壓力，而CCS規范是經過兩次修正之后的結果。CCS規范對總體穩定性的修正和校核準則較嚴格，使極限工作壓力反而比GL規范小。

3 結論

1)德國潛器規范針對潛器的自身特點，對于不同下潛深度和工況定義了相應的安全系數和計算校核方法，計算非常全面細致，值得借鑒。

2)GL規范對于肋骨不圓度定義了相應的測量和計算方法，同時在肋骨校核中考慮了側傾和焊接變形的影響，可為潛器設計提供借鑒。

3)深潛器更多采用復合材料，以提高材料利用率和降低重量，因此穩性問題更加突出。GL規范在殼板穩性校核中綜合考慮幾何非線性和物理非線性的影響，較為科學合理的。

4)歐美潛器規范和相應設計準則的分析方法能更好地適用于新材料，能夠科學地體現大深度潛水器結構形式的特點。

［1］GERMANISCHER LLOYD.Calculation and Pressure Hulls under External Pressure［S］.Hamburg，Germanischer Lloyd AktiengeseUschaft，1998.

［2］GERMANISEHER LLOYD.Rules for classification and construction，l-Ship technology，5-Underwater technology，1-Diving Systems and Diving Simulators［S］.Hamburg，Germanischer Lloyd AktiengeseUschaft，2009.

［3］GERMANISEHER LLOYD.Rules for classification and construction，l-Ship technology，5-Underwater technology，3-Unmanned submersibles［S］.Hamburg，Germanischer Lloyd AktiengeseUschaft，2009.

［4］中國船級社.潛水系統和潛水器入級與建造規范［S］.北京:人民交通出版社，1996.

［5］中華人民共和國軍用標準.潛艇結構設計計算方法［S］.北京:國防科學技術工業委員會，2001.

［6］劉 濤.大深度潛水器耐壓殼體彈塑形穩定性簡易計算方法［J］.中國造船，2001，42(3):8-14.

［7］GERMANISEHER LLOYD.Rules for classification and construction，l-Ship technology，5-Underwater technology，2-manned Submersibles［S］.Hamburg，Germanischer Lloyd AktiengeseUschaft，2009.