某大型艦船矩形水密風管結構改進設計

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

某大型艦船通風系統設計中采用加厚型矩形水密風管，但在某次水密承壓試驗中水密風管發生嚴重變形，導致法蘭連接處漏水，試驗結果不滿足總體水密承壓要求。針對這種情況，考慮利用有限元分析技術對不同破損進水事故工況下的水密風管結構進行強度計算，驗證水密風管是否滿足總體水密承壓要求，分析水密風管承壓能力的影響因素，基于分析結果提出矩形水密風管結構改進設計方案，對改進后的水密風管結構進行強度計算，驗證改進方案的可行性。

1 水密風管應用背景

1.1 破損進水工況概述

當艦船由于某種原因導致船體結構破損、發生進水事故后，外界的海水會通過船體破口進入艙內；根據船體破口與水密風管之間不同的相對位置，可以分為內部進水工況和外部進水工況[1-2]，見圖1。

圖1 水密風管應用典型布局

1)內部進水工況。船體破口(破口A)位于水密風管的開口端(水密區1)，海水從水密區1內的通風口進入水密風管內，水密風管承受內部海水壓力，若風管結構無法承受海水壓力而破損，海水會進入水密區2。

2)外部進水工況。船體破口(破口B)位于水密風管的中間段(水密區2)，海水進入水密區2，水密風管承受外部海水壓力，若風管結構不能承受海水壓力而破損，海水會通過風管進入水密區1。破損進水事故發生后，不允許海水通過風管從破損水密區到達非破損水密區，即保證水密區的獨立完整型。

水密風管應能夠承受破損進水工況下的海水壓力，避免風管結構破損導致水密隔壁失效。目前，常見的水密風管為普通加厚型風管，包括圓形風管和矩形風管：圓形風管由于截面形狀的規則性，結構受力比較均勻；矩形水密風管截面形狀較圓形風管不規則，不同長寬比的矩形風管結構受力情況也不同。

1.2 風管材料選型

目前船用水密風管的管路材質通常為不銹鋼、Q235B和20號鋼，其材料性能見表1，風管強度計算選用的風管材質為20號鋼。

1.3 風管水密試驗

該大型艦船通風系統設計采用了加厚型矩形水密風管，用于穿過不同的水密區，從而不破壞總體水密分隔[3]。為了驗證矩形水密風管的承壓性能，開展矩形水密風管耐水壓試驗，選擇壁厚為

表1 水密風管不同材料性能對比(室溫)

2 mm、截面尺寸為280 mm×190 mm的矩形水密風管作為試驗對象。試驗條件為：水密風管兩端通過盲法蘭進行密封，并固定兩端；采用增壓泵向風管內部加注高壓水，水壓由0升至0.2 MPa。試驗結果為：當風管承壓值升至0.15 MPa時，由于風管變形嚴重、撕扯法蘭，引起矩形法蘭邊變形，導致法蘭連接處發生泄漏。發生變形的水密風管剖面見圖2。

圖2 承壓試驗后嚴重變形的水密風管

試驗結果說明該矩形水密風管已無法滿足總體水密承壓要求，因此需要對風管結構進行改進設計，下面利用有限元分析軟件分析水密風管承壓性能的影響因素。

2 水密風管強度計算

2.1 仿真模型與邊界條件

上述矩形水密風管的厚度直徑比δ/Di<1/15，仍屬于薄殼容器范疇，其理論計算分為薄膜理論和彎曲理論。使用ANSYS三維殼體單元(SHELL181)進行實體建模，矩形水密風管有限元仿真模型見圖3(圓形水密風管模型只是截面不同，未進行展示)。

邊界條件：約束風管兩端節點的所有平行自由度(AX、AY、AZ)。

圖3 矩形水密風管有限元計算模型

2.2 應力判定準則

ASME標準認為，在進行結構校核時，不一定需要將總應力的最大值限制在材料屈服強度以下，因為總應力包括各類應力，不同的應力對結構失效的作用并不相同，應采用應力分類及其判定的概念進行分析。根據應力產生的原因、導出方法和分布性質等分為一次應力(P)、二次應力(Q)和峰值應力(F)。一次應力包括一次薄膜應力和一次彎曲應力(Pb)，一次薄膜應力又分為總體一次薄膜應力(Pm)和一次局部薄膜應力(PL)兩種。

ASME VIII標準給出的各類應力評定標準見表2，其中S為材料許用應力值。

表2 ASME各類應力的評定標準

在風管強度計算過程中，對風管結構的一次應力進行校核(Pm+Pb<1.5S)，以20號鋼為例，等效應力的校核標準為206 MPa。

2.3 分析結果

利用有限元分析軟件ANSYS進行風管結構強度分析[4]，驗證其抗塑性破壞的性能，所考慮的載荷組合為P+D(式中P為外部壓力，D為自重)，其中根據不同的進水工況施加不同方向的壓力載荷，壓力值為0.15 MPa(相當于水線以下15 m水壓)。

為了進行對比分析，計算對象包括矩形水密風管和圓形水密風管，其中矩形水密風管又包括不同通徑的風管以及相同通徑、不同長寬比的風管，分析結果見表3、圖4、5。

2.4 小結

1)對比矩形風管和圓形風管的分析結果，可以看出，3 mm厚的矩形風管均不滿足設計要求，而3 mm厚的圓形風管均能滿足設計要求。

2)對比420×240和360×290兩種規格(相同通徑)的矩形風管的分析結果，可以得出，矩形風管的應力主要來源于風管不規則截面帶來的彎矩，截面形狀越規則、受力狀況越好；即相同通徑的矩形風管，長寬比更小，受力情況更好。

表3 普通水密風管強度分析結果

圖4 水密風管等效應力分布云圖(420×240，3 mm)

圖5 水密風管彎曲變形分布云圖(420×240，3 mm)

3)對比不同規格的矩形風管分析結果，風管尺寸越大，受力情況越糟糕，越難以滿足校核標準，可通過增加風管厚度來降低風管應力，如360×290規格的風管厚度增加到6 mm即可滿足要求，但引起的增重幅度較大。

4)可以看出,水密風管在承受外部壓力載荷時的受力情況更糟糕，即外部進水工況是更惡劣的事故工況；而圓形風管是個例外，由于結構的均勻性，圓形風管結構只承受膜應力，內部進水工況和外部進水工況下的受力情況一樣。

5)根據圖4和圖5，可以看出峰值應力位于風管彎頭內側，最大變形發生在風管長邊面中部；由此推測，增大彎頭內側曲率半徑，限制風管長邊面中部變形，可以有效改善風管受力情況。

3 風管結構改進方案

3.1 結構改進設計

根據上述風管強度分析結果可知，圓形風管能夠很好地滿足水密承壓要求，而矩形風管由于截面形狀的不規則引起的彎曲應力占主導地位，如果限制風管變形可有效降低風管峰值應力，而外部進水工況是更惡劣的事故工況。基于此，對矩形水密風管結構進行改進，在風管長邊中心增加支撐梁，如圖6所示。支撐梁與風管之間采用焊接連接固定，由于支撐梁位于風管內部，不對支撐梁連接焊縫的密性做出要求。

圖6 水密風管結構改進示意

3.2 結構強度計算

為了驗證矩形水密風管結構改進方案的合理性，選取截面尺寸420 mm×240 mm的典型矩形水密風管(壁厚3 mm)作為計算對象，分別針對外部進水和內部進水工況進行強度計算，邊界條件與施加載荷與上節內容一致，強度分析結果見表4。

表4 改進后水密風管強度分析結果

根據表4分析結果，發現增加支撐梁之后，水密風管的受力情況得到極大改善，外部進水工況下的風管峰值應力由1 770 MPa降至216 MPa，僅比許用應力(206 MPa)高4.8%，最大形變量由44.7 mm降至1.6 mm，承壓性能比7 mm壁厚的普通矩形風管還好。外部進水工況下仍是更惡劣的施工工況，風管的峰值應力比內部進水工況稍微高一點，約9%。同時，對比不同壁厚支撐梁的分析結果，發現支撐梁主要的作用為抵抗風管變形，支撐梁壁厚可小于風管本身，壁厚從3 mm降至1 mm并沒有影響風管的承壓性能，僅增加了支撐梁本身的峰值應力。

3.3 增重分析

以420 mm×240 mm規格(壁厚3 mm)的水密風管為基準，分析增加支撐梁引起的風管增重影響見表5。

表5 改進后水密風管強度分析結果

可以看出，增加1 mm壁厚的支撐梁引起的增重幅度僅為6.06%，遠低于3 mm加厚型水密風管的增重幅度(33.33%)。同時需要注意的是，4 mm加厚型水密風管結構的峰值應力超過了材料的許用應力，不能滿足水密耐壓要求；若要繼續增強風管結構強度，需要將風管厚度增至7 mm才可將峰值應力降至許用應力(244 MPa)附近，但由此帶來的增重比例高達133%。

由此可見，矩形水密風管改進設計方案不僅滿足水密承壓要求，而且增重幅度較低，對總體資源的影響較小。

4 結論

水密風管承壓性能的主要影響因素為風管截面形狀和壁厚。普通加厚型矩形水密風管難以有效滿足水密承壓要求，圓形水密風管具有很好的水密性能，實際設計中應盡量選用圓形水密風管；針對矩形水密風管，外部進水工況是更惡劣的事故工況；相同等效通徑下，矩形風管長寬比越小，受力工況越好，承壓能力越強。

基于上述分析結果，提出一種矩形水密風管結構改進設計方案，即增加支撐梁，并對改進后的風管結構進行強度計算，計算結果顯示改進后的水密風管不僅滿足水密承壓要求，而且增重比例較低，可有效滿足船舶工程設計要求。