某型潛艇開孔修補(bǔ)方案的分析

趙 健 邵優(yōu)華 周惠元

（1.海軍駐上海地區(qū)艦炮系統(tǒng)軍事代表室 上海 200135；2.中國(guó)人民解放軍第四八○五工廠 上海 200135）

0 引 言

潛艇的耐壓殼體是潛艇的主體結(jié)構(gòu)，應(yīng)具有良好的水密性和強(qiáng)度，是潛艇生命力的重要保證［1］。某型潛艇在維修時(shí)誤在耐壓殼體上開孔。為確保耐壓殼體的整體強(qiáng)度和修理進(jìn)度，制造廠提出在肋骨腹板處開孔或局部切斷肋骨的修補(bǔ)方案。但開孔和切斷肋骨會(huì)使該部位耐壓殼體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度有所減弱，當(dāng)潛艇在船臺(tái)修理期間，在自身重力作用下，耐壓殼板可能會(huì)產(chǎn)生變形。因此采用有限元方法對(duì)局部開孔或切斷肋骨情況下的潛艇耐壓殼體的變形和應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析［2］，評(píng)估施工方案。

1 殼體開孔位置及修補(bǔ)方案

某艇艙32號(hào)～33號(hào)肋骨之間的耐壓殼上有一個(gè)圓形孔。該孔位于32號(hào)肋骨根部，直徑為135 mm，向艏沿圓周朝向十點(diǎn)鐘方向。為了對(duì)該孔進(jìn)行修補(bǔ)，擬在肋骨腹板處開工藝孔或局部切斷肋骨，以方便施工。具體方案如下:

方案1:在32號(hào)肋骨腹板開長(zhǎng)圓型孔，孔的尺寸為長(zhǎng)200～300 mm、高100 mm，同時(shí)縱向增加兩根T型加強(qiáng)材，加強(qiáng)材尺寸與32號(hào)肋骨相同。

方案2:將32號(hào)肋骨切斷，長(zhǎng)度為800 mm，同時(shí)縱向加兩根T型加強(qiáng)材，加強(qiáng)材尺寸同32號(hào)肋骨。

2 有限元計(jì)算模型

2.1 有限元模型

運(yùn)用有限元分析軟件的MSC.PATRAN［3］模塊建立開口所在艙段耐壓船體結(jié)構(gòu)有限元模型，并對(duì)開口艙段耐壓船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形進(jìn)行計(jì)算分析。考慮到開孔僅會(huì)對(duì)耐壓殼體的局部產(chǎn)生影響，因此有限元模型的范圍僅選取潛艇的某艙段，建立如圖1所示的有限元模型，圖2為開孔處模型放大圖。整個(gè)模型均采用shell單元。

圖1 計(jì)算模型整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 開孔處模型

2.2 材料參數(shù)

模型材料為鋼材，彈性模量E=2.1×108kPa，泊松比λ=0.3，密度ρ=0.00000785 kg/mm3。建模采用了kg·mm·s單位制，在該單位制下位移計(jì)算結(jié)果單位為mm，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果單位為kPa。

2.3 載荷分布

計(jì)算載荷為殼體自身重力和艙內(nèi)設(shè)備重力，艙段從22號(hào)肋位至37號(hào)肋位的質(zhì)量分布如表1所示。考慮到設(shè)備位置的不確定性，將設(shè)備的質(zhì)量均勻分布到艇體整個(gè)圓周上。

表1 某艙質(zhì)量分布表

2.4 邊界條件

模型邊界為22號(hào)肋位艙壁與37號(hào)肋位艙壁，邊界條件取為簡(jiǎn)支。考慮到坐墩時(shí)墩木對(duì)于艇體變形的支撐，因此將與墩木接觸的區(qū)域進(jìn)行徑向約束。

2.5 計(jì)算網(wǎng)格

對(duì)模型使用50 mm×50 mm的網(wǎng)格尺度進(jìn)行劃分，在開口區(qū)域網(wǎng)格加密，尺度變?yōu)?0 mm×20 mm。整個(gè)有限元模型共94981個(gè)節(jié)點(diǎn)、94532個(gè)單元。

2.6 計(jì)算結(jié)果

艇體未切斷肋骨或未在肋骨腹板開孔時(shí)，在重力作用下，整體變形均比較小。最大位移出現(xiàn)在坐墩附近，約為0.110 mm，如圖3所示；艇體頂端位移相對(duì)較大，最大位移為0.0832 mm；開孔處位移相對(duì)較小，其最大位移約為0.0685 mm，如圖4所示。

圖3 整體位移云圖

圖4 開孔附近位移云圖

模型應(yīng)力整體較小，最大應(yīng)力出現(xiàn)在F26坐墩端部附近，約為11.2 MPa，如圖5所示；開孔附近出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大約為2.07 MPa，如圖6所示。

圖5 整體中面應(yīng)力云圖

圖6 圓孔附近中面應(yīng)力云圖

2.7 肋骨腹板開孔后模型的應(yīng)力與變形

圖7 整體位移云圖

方案1為在肋骨腹板開腰型孔，并在殼體開孔兩側(cè)增加縱向加強(qiáng)筋。此時(shí)，最大位移出現(xiàn)在F26坐墩附近，約為0.110 mm，如圖7所示；艇體頂端位移也較大，最大位移達(dá)0.0838 mm；開孔處位移較小，其最大位移約為0.0657 mm，如圖8所示。應(yīng)力整體較小，最大應(yīng)力出現(xiàn)在F26坐墩端部附近，約為11.0 MPa，如圖9所示；開孔附近出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大約為2.22 MPa，如圖10所示。

圖8 圓孔附近位移云圖

圖9 整體中面應(yīng)力云圖

圖10 圓孔附近中面應(yīng)力云圖

2.8 局部切斷肋骨后模型的應(yīng)力與變形

方案2為在局部切斷肋骨，并在兩側(cè)增加縱向加強(qiáng)筋。此時(shí)，最大位移出現(xiàn)在F26坐墩附近，約為0.110 mm，如圖11所示；艇體頂端位移也較大，最大位移達(dá)0.0839 mm；開孔處位移最大值約為0.0728 mm，如圖12所示。模型應(yīng)力整體較小，最大應(yīng)力出現(xiàn)在F26坐墩端部附近，約為11.2 MPa，如圖13所示；開孔附近出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大約為2.52 MPa，如圖14所示。

圖11 整體位移云圖

圖12 開孔附近位移云圖

圖13 整體中面應(yīng)力云圖

圖14 開孔附近中面應(yīng)力云圖

2.9 網(wǎng)格尺度對(duì)計(jì)算結(jié)果影響的分析

為消除有限元網(wǎng)格尺度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響［4］，增加了計(jì)算模型的網(wǎng)格密度，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。模型整體網(wǎng)格尺寸為25 mm×25 mm，開口處網(wǎng)格加密尺寸為10 mm×10 mm。加密后整個(gè)有限元模型共包括379009個(gè)節(jié)點(diǎn)、378092個(gè)單元，模型如圖15、圖16所示。

圖15 網(wǎng)格加密后整體位移云圖

圖16 網(wǎng)格加密后整體應(yīng)力云圖

表2列出了網(wǎng)格密度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。可見，網(wǎng)格加密后的計(jì)算結(jié)果變化不大，建立的有限元模型已經(jīng)消除了網(wǎng)格尺度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

表2 網(wǎng)格密度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

3 計(jì)算結(jié)果分析

表3列出了施工前、開工藝孔后以及局部切斷肋骨后三種情況下模型最大位移和應(yīng)力值。

由表3可見，局部切斷肋骨或在肋骨腹板處開工藝孔，對(duì)模型整體的最大位移和最大應(yīng)力幾乎沒有影響。根據(jù)施工要求，主要對(duì)于開孔處、殼體頂端的位移比較關(guān)心。現(xiàn)對(duì)三種工況下，上述位置的應(yīng)力和位移進(jìn)行比較，如表4所示。

表3 模型的最大應(yīng)力和最大位移

表4 關(guān)鍵部位的變形與應(yīng)力

由表4可知，局部切斷肋骨或在肋骨腹板處開工藝孔后，對(duì)模型開孔處及殼體頂端的變形和應(yīng)力影響均較小。

通過上述計(jì)算結(jié)果可知，盡管局部切斷肋骨或在肋骨腹板處開工藝孔使耐壓殼體的局部強(qiáng)度有所降低，但由于增加兩根縱向加強(qiáng)筋，增加了局部強(qiáng)度，因此該處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化不大。

4 結(jié) 論

通過對(duì)耐壓殼體上有圓孔、在耐壓殼圓孔附近的肋骨腹板處開工藝孔并用縱向加強(qiáng)筋加強(qiáng)以及局部切斷肋骨并用縱向加強(qiáng)筋加強(qiáng)三種狀態(tài)進(jìn)行有限元建模計(jì)算和分析，并綜合參考GJB4000-2000中的相關(guān)規(guī)定［5］，得出以下結(jié)論:

（1）局部切斷肋骨或在肋骨腹板處開工藝孔，并在耐壓殼圓孔附近增加兩根縱向加強(qiáng)筋后，在重力作用下，耐壓殼整體及開孔附近的變形和應(yīng)力均較小。從有限元分析結(jié)果來看兩種施工方案相差不大。

（2）兩種施工方案的選取建議由制造廠根據(jù)實(shí)際施工條件和焊接工藝可靠性確定。

制造廠根據(jù)評(píng)估結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，選取方案1作為修補(bǔ)方案，修補(bǔ)后通過無損探傷及密性試驗(yàn)，驗(yàn)證了此方案的可靠性，從而為以后的修理積累經(jīng)驗(yàn)。

［1］謝祚水，施麗娟.潛艇全船耐壓結(jié)構(gòu)有限元應(yīng)力分析［J］.船舶工程，2002，15（2）:3-5.

［2］孫麗萍.船舶結(jié)構(gòu)有限元分析［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2004.

［3］周博，徐志亭，王曉宇.某型船補(bǔ)給基座及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析［J］.船舶，2013，24（3）:38-39.

［4］杜平安.有限元?jiǎng)澐值幕驹瓌t［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2000，13（1）:15-16.

［5］中華人民共和國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB4000.艦船通用規(guī)范［S］.2000.