潛艇耐壓液艙的研究現狀和發展趨勢

吳春芳，吳 梵

(1. 海軍工程大學 艦船工程系，湖北武漢 430033；2. 武漢船舶職業技術學院，湖北武漢 430050)

0 引 言

進入21世紀以來，隨著現代反潛技術的飛速發展，水下噸位較大的雙殼體潛艇結構在水下的暴露率也大大增加，被偵測、跟蹤、甚至被反潛方不間斷連續攻擊的可能性也大大增加；加上現代魚雷采用的側瞄基陣能保證垂直命中艇體，連續的聚能戰斗部和高能量的爆破裝藥能保證擊破任何雙殼體潛艇。因此，在發現既能有效跟蹤，又能保證摧毀的新反潛作戰模式下，傳統雙殼體艇濕表面積大、快速性和隱蔽性差的弊端被放大，其作戰時的生存能力，正受到越來越嚴峻的挑戰。

在這種背景下，潛艇的生存能力已不能再用儲備浮力的大小來衡量，而應以更好的隱蔽性，更低的暴露率來體現。單殼體潛艇由于下潛速度快、艇表開口少艇體光順度好、聲反射面積小隱蔽性好的特點，越來越受到各國的重視。法國和俄羅斯的常規潛艇從雙殼體轉向了單殼體結構，日本也從雙殼體結構走向了以單殼體為主的混合殼體形式。

傳統雙殼體潛艇的耐壓液艙主要布置在耐壓殼與非耐壓殼之間，屬于外置式耐壓液艙，單殼體潛艇的耐壓液艙只能布置在耐壓殼體內部，屬于內置式耐壓液艙。馬運義[1]通過對國內外的潛艇有關文獻資料進行收集整理，從快速性、隱身性、安全性和建造等各方面系統地分析了單、雙殼體2種結構形式的優缺點。我國潛艇長期采用外置式耐壓液艙，相關研究較多，已形成了一套較完整的強度與穩定性計算方法；但對單殼體潛艇的內置式耐壓液艙的結構形式和力學特性缺乏研究，國內沒有施工和使用經驗，沒有系統的計算方法。而國外由于保密的要求，這方面的報道也極少，且對于單殼體潛艇的內置式耐壓液艙，目前沒有明確的結構形式。本文旨在通過對當前潛艇耐壓液艙研究現狀的分析，提出對內置式耐壓液艙結構形式研究具有借鑒及指導意義的途徑和方法。

1 外置式耐壓液艙研究現狀

在大深度潛水器中，以球形殼體為最佳結構形式[2～4]。傳統的大中型外置式耐壓液艙，從結構形式上來看主要有托板式和實肋板式2種（見圖1），托板式耐壓液艙結構的建造困難主要是因為托板的間斷性造成的，由于結構內應力沿圓周不均勻分布，沿圓周要求托板節點四點共圓同時增加了建造難度，所以現在較少采用。大型潛艇耐壓液艙主要采用實肋板式結構，為了減輕結構質量達到最優設計，還可采用帶縱骨加強的實肋板式耐壓液艙結構。因而對于外置式耐壓液艙的結構形式，其研究內容主要包括耐壓液艙殼板、耐壓液艙殼板上的縱骨、實肋板、耐壓液艙區域的耐壓船體、耐壓船體的縱骨和液艙端艙壁等的強度和穩定性研究。

圖 1 耐壓液艙結構簡圖Fig. 1 Pressure tank structure diagram

傳統的實肋板式耐壓液艙區耐壓船體殼板軸向應力大，沿圓周方向應力非軸對稱性明顯，在船體殼板、液艙殼板、實肋板三者匯交處耐壓船體殼板上存在著明顯的集中應力缺陷，實肋板同心雙層圓柱殼[5]（圖1（c））和準同心圓式耐壓液艙型式（圖1（d））解決了此問題，同時也能使耐壓船體殼板的軸向應力明顯降低。

在進行耐壓液艙區域的耐壓船體結構的研究時，一些專家和學者針對傳統的計算方法中存在的問題提出了一些新的計算方法和意見。傳統的《潛艇強度》中推薦的方法，因其應力模型與實際的受力情況不符，在經過比較分析潛艇耐壓液艙結構4種應力近似解析法[6]后被證實已不適用進一步深入的開展研究。

設置剛性隔壁或框架肋骨造成的殼體結構剛性突變會使潛艇耐壓殼板產生高縱向彎曲應力，為減少此應力的影響，需在隔壁周圍進行加強，楊正忠等[7]從靜水外壓力作用下圓柱薄殼變形的微分方程式出發，用矩陣分析的方法計算了各不同加強形式下殼體在隔壁附近的應力分布，給耐壓殼體附近的合理加強設計提供理論依據并給出了一個可供設計使用的程序。目前，國內對這方面的研究形成了較為系統的計算方法[8]。

對于潛艇耐壓液艙結構的強度和穩定性研究，目前主要采用3種方法：理論計算法、數值仿真法和模型試驗法。

1.1 外置式耐壓液艙理論計算法研究現狀

理論計算法主要基于彈塑性力學經典理論和一系列重要假設，建立耐壓船體殼板、液艙殼板、實肋板等的微分方程進行聯合求解，得到理論計算公式。國內的一些專家、學者在實肋板耐壓液艙理論計算方面做了大量的研究，得到了一系列的研究成果。

在進行耐壓船體結構的研究時，胡剛義[9]應用大曲率梁和彈性基礎梁理論建立了舷間耐壓液艙區域耐壓船體的微分方程，求解出了耐壓船體微分方程的撓度表達式，并得出耐壓船體的強度計算公式，建立了軸對稱假設下的力學模型，將數值計算與計算規則[10]中的結果相比較，得到一致的結論證明其計算公式的正確性。謝祚水等[6]對潛艇耐壓液艙結構4種應力近似解析法進行比較分析，指出現在可見的應力近似解析算法中的主要4種，即《潛艇強度》中推薦的方法已不適用，黃加強等[11]提出的帶縱骨實肋板式耐壓液艙殼板強度計算方法對邊界條件的處理采用了混合邊界條件，引入了比較復雜的應力函數, 其結果為隱式方程,求解過程十分繁瑣。

與以往不同的是，王曉天等[12]在文獻中指出將耐壓液艙視為等效環肋圓柱殼的傳統計算方法，忽略了由于曲率變化產生的周向彎曲應力，使結果偏于危險。因此，提出了將耐壓液艙近似看作為一扁度較小的橢圓柱殼進行計算，并對橢圓形耐壓指揮室的強度計算方法、相當半徑方法和復變函數方法進行比較，結果表明：對于相同的橢圓柱殼，采用橢圓形耐壓指揮室的強度計算方法更準確；與環肋圓柱殼方法相比，采用橢圓形耐壓指揮室的強度計算方法得到的計算結果更符合實際情況。

把縱骨式實肋板耐壓液艙和對應的耐壓船體看成一彈性體也是進行耐壓液艙結構研究的一種方法, 羅斌等[13]在求解實肋板傳遞系數的基礎上, 研究了液艙殼板的強度計算方法。處理時根據殼板尺寸和所受載荷情形確定了相應的殼板邊界條件和計算公式, 公式中考慮了殼板膜應力的影響。而在耐壓船體殼板和肋骨在加工、裝配和焊接等工藝過程中受各種因素的影響而產生的初撓度或初始缺陷，對結構強度和承載能力會產生影響，但在以往[14]的應力分析中，沒有考慮膜應力增加的影響，因此朱邦俊等[15]通過較精確的分析計算考慮初撓度影響的環肋圓柱殼，對耐壓船體殼和肋骨初撓度允許標準進行討論。

這些結論的提出，對耐壓液艙區耐壓船體的應力分布有了明確的認識，同時還提供了進行耐壓液艙結構分析的更加準確和便捷的理論計算方法和力學模型，為提高耐壓液艙結構強度的理論計算精度提供了依據。

同時，潛艇的穩定性研究也很重要。在潛艇結構的設計與計算中，文獻[16]提出不但要保證殼體中的應力小于規定的許用應力，還要保證殼體具有足夠的穩定性，而且保證殼的穩定性還更為重要，因此，在潛艇的結構設計中，進行殼板的穩定性研究較多。

通過探討潛艇縱骨式耐壓液艙的縱骨計算方法，文獻[17]從縱骨實際情況出發，按剛性固定在彈性基座上的彈性基礎梁計算縱骨進行研究，這種計算方法比規范在進行潛艇縱骨式耐壓液艙殼板的縱骨計算時，偏于從安全角度考慮，把縱骨簡化為兩端固支梁的計算結果更接近于實際情況。

黃加強等[18]假定在殼板的周向方向上，用實肋板進行連接的耐壓液艙殼板和耐壓船體殼板形成的閉合同心圓，不考慮實肋板上的開孔是否會影響耐壓液艙的結構變形，將帶縱骨實肋板式耐壓液艙和對應的船體作為一個彈性整體，按具有初始膜應力的混合邊界問題同時考慮殼板中膜應力的影響及與耐壓船體相互作用的影響對耐壓液艙結構進行研究，得到了耐壓液艙殼板彈性及彈塑性應力響應的計算方法也是研究耐壓液艙殼板穩定性的一種方法的結論。而對于無加強、縱骨加強、中間支骨加強3種液艙殼板的穩定性在求解時，朱邦俊等[19]通過對耐壓液艙結構整體求解得到液艙殼板屈曲前的初始膜力，代入由李茨法導出的液艙殼板穩定性方程，求得不同加強形式液艙殼板失穩理論臨界壓力，經過修正得到失穩實際臨界壓力。對于采用環肋加強來提高靜水外壓作用下結構穩定性的耐壓圓柱殼，朱邦俊等[20]則采用半圓環殼型肋骨對耐壓圓柱殼進行加強的結構形式，來使肋間殼板的穩定性得到了較大幅度地提高，若要較大幅度地提高耐壓殼總體失穩壓力，可以對半圓環殼半徑和厚度進行合理設計，以增加半圓環面內慣性矩來實現。對于采用了實肋板帶縱骨形式的潛艇耐壓液艙，為校核均勻外壓下液艙殼板的穩定性，文獻[21–22]導出了考慮肋板與縱骨卸載后, 潛艇實肋板帶縱骨式耐壓液艙殼板實際臨界壓力計算公式及潛艇耐壓船體特大肋骨的相當面積計算公式。

1.2 外置式耐壓液艙數值仿真法研究現狀

數值仿真法隨著計算機硬件水平的提高和數值計算方法的改進而發展起來，是分析耐壓液艙結構強度和穩定性的重要方法之一。它以通用有限元軟件為平臺，建立耐壓液艙整體有限元模型并對其進行強度和穩定性計算。有限元計算結果能清晰地反映結構各部分的位移和應力分布，便于獲得高應力分布區域，有助于揭示復雜結構的力學特性及各構件之間的相互關系；還可以根據自己的需要變換結構、材料等參數，為完善耐壓液艙結構強度與穩定性計算方法、優化結構設計以及提出新型合理的耐壓液艙結構形式提供理論依據。

通過采用數值仿真方法，可以對耐壓液艙的受力問題展開更加深入細致的研究。張偉等[23]采用Super-SAP有限元程序研究耐壓液艙單層殼跨數對雙層殼區域的應力影響，計算了單層殼為1跨、3跨、4跨、6跨、8跨和10跨時耐壓液艙有關部位的應力，從強度破壞原則來分析，找出耐壓液艙結構的破壞應該出現在耐壓液艙隔壁板附近的結論。孫倩等[24]以Matlab為平臺，對同心圓和準同心圓式潛艇耐壓液艙結構進行了優化設計，并將Matlab計算結果與Ansys計算結果進行對比，指出了準同心圓式耐壓液艙結構值得推薦。黃鎮熙等[25]以Sysware為平臺，以滿足現行規范要求為條件，對實肋板帶液艙殼板縱骨的耐壓液艙進行的優化設計，提出了耐壓液艙優化設計的主要設計變量、約束條件及目標函數；通過對具體算例進行結構優化計算，找到了耐壓液艙優化設計方向，對實肋板減輕孔的設計提出了改進意見。另外還可以自編有限元程序[26–27]，建立耐壓液艙結構有限元分析的力學模型，提高潛艇耐壓液艙結構應力解析公式的計算精度，尋求有利的耐壓液艙加強方法等。

在耐壓船體中，軸向應力很大，局部應力集中明顯。通過對耐壓液艙的應力用有限元法進行耐壓液艙應力計算的可靠性[28–29]分析，李巍等進一步說明了在潛艇耐壓液艙區域結構的總穩定不存在問題，用來保證應力強度的耐壓船體殼板、加密縱骨的耐壓液艙殼板及密設加強筋的實肋板局部穩定性也有保證，證明了耐壓液艙結構穩定性不是矛盾的主要方面，結構的安全性主要受制于應力強度。通過數值仿真方法，建立的多種力學模型可以簡化耐壓液艙結構的計算模型，在不同的設計階段可以選用不同模型，如在初步設計階段可用簡單的中心對稱力學模型, 在詳細設計階段應用四跨左右的板殼單元力學模型來計算耐壓液艙結構中的應力。從此可以看出，在耐壓液艙的應力分析中，引入數值仿真方法，簡化了計算模型，更好適應了不同設計階段的需要。

在耐壓船體特殊問題中各點應力值的處理中，也可以采用有限元計算分析來進行。如梁學先通過建立橢圓柱潛艇耐壓液艙殼試驗模型的有限元計算模型[30–31]進行計算，分析得出在錐柱過渡區采用圓弧式能較好地消除過渡段殼體與圓柱殼相切一端的集中應力，但在非光滑端需在過渡段的左端加大板厚或增加扶強材以減少圓柱殼更大的集中應力；如果采用雙圓滿弧式過渡則柱殼的應力分布會較緩，但是由于雙圓弧式過渡式的加工工藝較復雜，所以采用這種圓滑過渡也是不易的。局部結構的應力分析，對于潛艇結構設計時可能出現的應力集中問題提出了改進建議和改進方法，對內置式耐壓液艙結構的設計有著很好的參考價值。

1.3 外置式耐壓液艙模型試驗法研究現狀

模型試驗法是指通過設計加工耐壓液艙小尺度比例模型并進行相關試驗，從中獲取可靠數據，得到正確結論的方法。如謝祚水等[32]通過對比傳統式耐壓液艙和準同心圓式耐壓液艙的模型試驗，發現2種結構形式具有幾乎相同的極限承載能力，但在彈性范圍內準同心圓式耐壓液艙結構優于傳統式耐壓液艙結構，驗證了準同心圓式耐壓液艙結構型式的合理性。黃加強等[21]通過進行帶縱骨實肋板式耐壓液艙結構模型實驗，表明耐壓液艙殼板所承受的外壓很大部分通過實肋板以線集中載荷的形式傳遞給耐壓船體，因而使耐壓船體承受線集中力和軸向力的聯合作用，引起其軸向應力急劇增大；當外壓達到一定數值時，相鄰實肋板跨中處將產生縱向折疊式破壞，提出了對帶縱骨實肋板耐壓液艙進行深入研究的必要性。梁學先[33]對靜水壓力作用下環肋圓柱殼的肋骨扭轉進行模型試驗，證明了托板和肋骨扭轉對殼板的局部穩定性影響很大，殼板抵抗局部失穩的性能得到了增強。龔君來[33]通過對外置式耐壓液艙進行的一系列模型試驗，分析出了外置式耐壓液艙常出現的破壞形式及部位，并提出了相應的加強方案，以期進一步挖掘其承載能力，避免潛艇因下潛深度增加帶來的耐壓液艙結構承載能力和結構重量之間的矛盾。

現有的各種潛艇耐壓液艙的模型試驗證明，模型試驗法是最接近實際情況的方法，是驗證理論計算結果準確性和可靠性的有效途徑。

1.4 外置式耐壓液艙結構優化設計方法的研究

潛艇耐壓結構在承受深水壓力的同時，還要保證艙室內部人員的安全和各種設備的正常工作，其作為一個水密空間，還要提供必要的浮力，而其安全性也是完成水下作業的重要基礎。同時殼體重量、結構尺寸要完成潛艇的水下作業，其運行的平穩性、速度又受到殼體重量、結構尺寸的影響。所以，就潛艇而言，如何節省潛艇自重(即最小的結構重量排水量比值)就是一項重要的內容，從軍事上來說就是戰斗力和作戰半徑的問題。

潛艇耐壓結構的優化就是提高以上性能的基本方法，其最終目標就是在主機相同的條件下阻力更小、航速更高，噪聲和振動影響更小，增加潛艇的總體性能和有效負載能力等方面的要求。而在潛艇耐壓結構的優化設計中，最合理的設計狀態是，當計算載荷等于殼板的Qcr時，殼板的最大中面應力以及肋骨應力都能達到或接近其[σ]。無論是從強度還是穩定方面來說，就是要使潛艇的結構得到優化，進行潛艇的優化方法有很多，比如，文獻[34]中為能最大限度發揮最佳的結構尺度和最優的材料性能，以單目標非線性約束優化的目標規劃為模型，尋求連續與離散混合變量的最優解，得到了規格化設計變量關于滿應力設計和耐壓船體較輕重量的相對有效解優化方法。也有采用分枝定界法和序列二次規劃方法[35], 李學斌以殼板的厚度、肋骨的型號、間距等為設計變量, 研究下潛深度、材料幾何參數對重量以及其他特征量的影響，對載人潛水器圓柱形耐壓殼體的重量最小化進行研究。分析表明，下潛深度與材料的屈服極限對重量的減輕有著明顯的作用。而對于大深度而言，屈服極限高的材料，其材料利用率也越高。

總的來說，在進行優化設計時，要綜合考慮各種使用要求、肋骨參數、材料參數和封頭形式等因素，以重量最輕為優化設計的評估標準[36–39]，綜合以質量經濟性能、材料利用率、浮力因子等因素進行，推導出潛水器耐壓殼的優化目標函數。

2 內置式耐壓液艙研究

單殼體潛艇主要采用內置式耐壓液艙，從內置式耐壓液艙的結構形式來看，主要有內置環形耐壓液艙和內置平板式耐壓液艙，其結構簡圖如圖2所示。

圖 2 內置式耐壓液艙結構簡圖Fig. 2 Structure of inner pressure tank

2.1 國內單殼體潛艇的內置式耐壓液艙研究現狀

由于我國長期以來一直使用雙殼體潛艇，對內置式耐壓液艙的研究還處于初期階段，相關的研究資料和相應的研究成果都比較少。從研究方法來看，目前沒有形成系統的理論計算方法，但是由于外置耐壓液艙的理論計算方法比較成熟，可以作為內置耐壓液艙理論計算的參照；國內暫時還沒有開展過內置耐壓液艙的模型試驗研究，但有學者采用數值仿真法對單殼體潛艇的沖擊響應、球柱組合殼結構連接處的邊緣效應及內置式調整水艙等問題進行有限元計算。

文獻[40]參照蘇聯的“耐壓液艙強度和穩定性的計算方法”，在滿足總體對內置式調整水艙容積的要求下，設計了單殼體潛艇的內置式調整水艙的新結構形式，確定了主要參數，并在耐壓液艙承受與舷外水相等的壓力時，對內置式調整水艙區域的耐壓船體、耐壓液艙殼板、實肋板等結構進行了有限元強度計算。為研究靜壓下內置耐壓液艙結構的力學規律，吳梵等[41]采用有限元方法對內置式耐壓液艙及船體結構在與外界是否連通2種不同工況下的耐壓殼變形和應力狀況作了分析，得出液艙內外連通時的工況更危險、耐壓殼應力水平更高的結論。

潛艇單雙殼體的沖擊響應分析，對研究潛艇的單殼體內置式耐壓液艙結構研究有著重要意義。劉興永等[42]運用均攤板厚的方法把雙殼體潛艇簡化成單殼體后進行數值實驗仿真，得到了雙殼體的加速度響應值與沖擊譜值同單殼體相比有相當程度的減小的結論。白旭等[43–45]運用薄殼理論及變形協調條件，針對單殼體潛艇球柱組合殼結構連接處的邊緣效應問題開展的球柱組合殼結構連接處的構件邊界形式的研究，通過建立簡化邊界模型，驗證了邊緣效應的影響范圍是局部的，肋骨相對于球殼厚度對其影響更為顯著。而對于單殼體潛艇殼體發生結構損傷后會產生的屈曲變形，周素蓮等[46–48]用幾何缺陷薄壁圓柱殼的卡門-唐納爾非線性應變位移關系式和變分法推導的具有初撓度的耐壓殼的平衡方程和相容方程，給出了耐壓殼的應力函數表達式；分析出與完美單殼體不一樣，具有初撓度的耐壓殼載荷隨撓度幅值增加到局部極大值后，隨著撓度幅值的增大反而減小，表明耐壓殼的承載能力下降。

潛艇單殼體響應、耐壓殼平衡方程的分析，以及內置式耐壓液艙結構的受力和變形特征的研究，為進一步進行內置式耐壓液結構設計的研究起到了指導性作用。

2.2 國外單殼體潛水器研究狀態

據資料顯示，美國等西方國家的潛艇以單殼體結構形式居多，而俄羅斯則是以雙殼體、大儲備浮力為其基本特征[49–50]。研究發現，美、英、法等國因搭載外部航行器或外置式武器的問題曾考慮過或正在考慮采用雙殼體作為解決問題的手段[51–52]。另外，德國在進行212型和214型潛艇建造時，因為采用了燃料電池AIP系統，需要將儲氫容器在耐壓艇體外進行布置，因此，該艇的外部包覆了輕外殼[53]。通過多年的發展，西方國家單殼潛水器的研究已較成熟。

3 耐壓液艙發展趨勢分析

外置式耐壓液艙已形成了一套較完整的強度與穩定性計算方法。傳統的縱骨式結構形式在強度和穩定性方面具有明顯的優勢，隨著下潛深度的進一步增加，更高強度鋼的采用必將成為趨勢。

隨著系統功能可靠性提高，內置式耐壓液艙將向小型化趨勢發展，液艙范圍顯著減小，能與內部結構的設計充分融合，結構形式也將呈現多樣化的趨勢。內置式耐壓液艙理論計算方面的研究較少，因此，建立內置式耐壓液艙的強度和穩定性計算方法，為單殼體潛艇耐壓液艙的設計提供理論依據將是未來耐壓液艙的一個發展方向。

1）開展內置式耐壓液艙結構形式研究

對于單殼體潛艇的內置式耐壓液艙，目前沒有明確的結構形式，因此，可以通過數值仿真法對內置式耐壓液艙基本結構形式展開研究，以了解結構的力學特性以及結構形式對力學特性的影響，進而對內置式液艙的設計和優化提供參考，為提出新型合理的耐壓液艙結構形式提供依據。

2）開展內置式耐壓液艙模型試驗研究

目前國內尚未開展內置式耐壓液艙模型的試驗研究，但是當理論研究到一定程度時，需要開展模型試驗研究以驗證理論研究成果。

4 結 語

隨著世界軍事格局的發展變化，海上軍事力量的要求日趨增加，潛艇技術的發展要求也日趨增高，從最初對先進性能的追求，到當今的安全性及隱蔽性的現實問題，對于潛艇的結構設計技術也有了新的要求。面對當前內置式耐壓液艙研究較少、設計方法較缺乏的問題，外置式耐壓液艙探索研究出的理論、數值計算方法及模型試驗對于內置式耐壓液艙來說是否可行，還需要進一步進行探討，以尋求合適的理論依據和試驗模型以推動內置式耐壓液艙設計的開展。

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