水下航行器圓柱形耐壓艙體結構穩定性計算

劉 瑩，白亞東

（1.海軍裝備部；2.山西汾西重工有限責任公司，山西 太原 030027）

0 引言

當前世界各國越來越重視對海洋的研究和開發，這必然推動了有關AUV、RUV、UUV 等各類水下產品地迅速發展。我國“十四五”規劃中，針對海洋的研究和開發已成為前沿技術研發布局的重點。經過這些年來的快速發展，各種不同結構參數、下潛深度的航行器層出不窮。

航行器作為海洋作業的重要技術裝備，是探查、開發和利用海洋的重要一環。各航行器在水下環境中工作時，承受非常大的水下靜壓力，這就決定了圓柱形耐壓殼體是水下航行器耐壓結構的重要基本形式之一。這樣的承壓狀態，就要求航行器耐壓殼體具有足夠的強度和剛性，還應具有可靠的密封性，以便能夠為航行器內部儀器、儀表燈設備提供正常運作的環境，從而確保其艙內設備的安全性，這就更加凸顯出耐壓殼體結構本身的安全性和可靠性。

作為航行器的核心部件，航行器的浮力主要是由耐壓艙體提供的，耐壓艙體的重量一般占其總重的1/4～1/2。而耐壓艙體重量與排水量比值是航行器能否提供較大有效載荷的主要因素，該比值是由其自身的屬性決定的，包括其材料的選擇和強度與穩定性的大小。因而確保水下航行器耐壓艙體的強度和穩定性是航行器耐壓艙體設計的關鍵，同時也是航行器設計和制造中需要重點關注的關鍵技術。

一般來說，當航行器耐壓艙體的外壓力增大到某一臨界值時，其耐壓殼體喪失穩定性，這時的外界載荷壓力就稱為破壞壓力，即失穩壓力。在現代水下航行器結構設計中，在保證航行器耐壓艙體的應力小于規定許用應力的同時，也得保證航行器耐壓艙體具有足夠的穩定性。需要特別指出的是，比較兩者的重要性，其中保證航行器耐壓艙體的穩定性更為重要。

從艙體材料的角度而言，5A06、6061、7075 等各類鋁合金和TC4、TA2 等各類鈦合金以其耐蝕、輕質、無磁和較高強度等優良的性能常常作為優選材料。

為保證航行器在水下服役的安全性，耐壓艙體作為AUV、RUV、UUV 等水下航行器重要組成部分，必須考慮到其結構穩定性與失效之間的相關性，制定出相應的設計計算規范，從而不斷提高航行器耐壓圓柱殼結構的設計計算水平。本文針對材料為鋁合金、鈦合金的水下耐壓圓柱形艙體結構性能分析研究，對其穩定性計算進行相關探討。

1 艙體的穩定性

1.1 艙體的失穩

一般來說，圓柱形艙體在均勻外壓作用下，因艙體結構和載荷均對稱于艙體的中心軸線，故而艙體的變形亦對稱于中心軸線，即在軸向（或縱向）產生均勻外壓縮和由肋骨支撐而引起的彎曲兩種情況，在周向表現為只產生均勻壓縮而沒有彎曲變形。相比較受內壓的艙體，受外壓的艙體除考慮其強度外，還必須考慮到由于喪失穩定性而導致艙體的破壞。

如此一來，在結構設計和計算過程中，除了要保證艙體中應力小于規定的許用應力值之外，必須優先保證艙體具有足夠的穩定性。一般的做法是在耐壓圓柱形艙體內設置一系列環形加強肋骨，甚至有時還設置中間支骨或特大肋骨，其目的均是為了提高圓柱形艙體的穩定性。尤其是對于薄壁圓柱形艙體，周向失穩總是發生在強度失效之前，所以其穩定性計算是設計和計算過程中需要考慮的首要、必要問題。

1.2 失穩形式

在均勻外壓力作用下，圓柱性艙體失穩的形狀有多種可能，具體取決于其結構、形式和尺寸。主要有艙體總體失穩、肋間殼板局部失穩和中間支骨失穩三種形式。

1.2.1 總體失穩

若肋骨剛度小于其臨界剛度，此時當外壓力超過其臨界壓力時，則肋骨會連同圓柱殼體、中間支骨等一起在艙段內發生失穩現象，即發生總體失穩。這時，僅艙段的兩端法蘭（或特大肋骨）保持正圓形不變，構成艙體的剛性支撐周界。整個艙體在母線方向上只形成1 個半波，而在艙體的橫剖面整圓周上形成2 個、3 個或4 個整波。

1.2.2 肋間殼板局部失穩

若肋骨及中間支骨的剛度足夠大，超過其臨界剛度時，在外壓力均勻逐漸增大的過程中，會先出現肋間殼板局部失穩形式。此時的狀態是，各環向肋骨（中間支骨）均保持自身的正圓不變，成為艙體殼板的剛性支撐周界，則艙體殼板在肋骨（或與中間支骨）之間形成1 個半波。在若干間距內會形成若干連續的凹凸交替半波，在橫剖面的圓周上會形成許多凹凸交替半波。

1.2.3 中間支骨失穩

若肋骨剛度超過其臨界剛度，而中間支骨小于其臨界剛度時，則可能會出現中間支骨失穩的形式。具體表現為，肋骨保持其自身的正圓形不變，作為艙體的剛性支撐周界，而中間支骨會與艙體殼板一起發生失穩現象。而在艙體的母線方向，肋骨之間會形成1個半波，在各個肋骨間距內則會形成若干連續的凹凸交替半波。在橫剖面的整個圓周上，形成若干凹凸交替的半波，但是所形成的波數相比艙體肋間殼板局部失穩的波數要少，而比總體失穩時的波數要多。

2 艙體的穩定性計算

對承受均勻外壓的無肋和加肋圓柱形艙體失穩計算，經大量理論分析和試驗研究，得出各種形式的預測臨界壓力的理論公式[1]。參照潛艇和魚雷耐壓艙體采用公式（1）和公式（2）計算總體失穩、采用公式（3）計算肋間殼板局部失穩以及采用公式（4）計算中間支骨失穩，其中圖1 為帶板肋骨慣性矩計算示意圖[2-3]。

圖1 帶板肋骨慣性矩計算示意圖

2.1 總體失穩理論臨界壓力

2.2 肋間殼板局部理論臨界壓力

2.3 中間支骨失穩理論臨界壓力

2.4 實際臨界壓力

理論公式是在假設其所用材料為理想彈性，其艙體形狀是理想的圓柱形等基礎上所導出，而實際上，因其所用材料在發生失穩時的應力會超出彈性極限，同時在加工精度方面也會帶來形狀上的缺陷，即會產生有初撓度的影響，這就需要在計算中必須對理論臨界壓力增加一個修正系數，一般來說修正系數分為兩個部分。

1）所用材料因不服從胡克定律，從而對穩定性不利影響的修正系數Cs，Cs由σE/σT（其中σT為極限應力）確定。理論臨界壓力見式（5）：

不同材料對Cs值影響不大，在一定范圍內Cs是σE/σT的函數，不同批次其數值不一樣時可取其平均值，其值可查閱本文參考文獻。

2）考慮艙體初撓度對穩定性不利影響（實際還包括裝配、焊接殘余應力的影響，以及理論推導中做了各種近似假設和簡化帶來的偏差）的修正系數Cg，一般按函數關系式（6）取值：

在實際設計計算中，對各類穩定性的修正系數Cg值由設計部門提供，一般Cg=0.75。則實際臨界壓力Pcr=CsCgPE，Cs、Cg為兩個修正系數。

2.5 穩定性校核

艙體在進行穩定性考核時，為保證艙體安全可靠地工作，設計上要取一定的安全系數。

式中：P0為設計壓力；m 為安全系數，一般取1.4～1.6。

3 影響耐壓艙體失穩臨界壓力的因素

3.1 艙體幾何尺寸

影響艙體臨界壓力的幾何尺寸主要由艙體的長度L、壁厚t 和艙體半徑R；長度L 一定時，t/R 越大，艙體的臨界壓力越高；艙體t/R 相同，艙體長度越小臨界壓力越高；筒體t/R 和L/R 值相同時，有肋骨的艙體臨界壓力高。

3.2 艙體材料性能的影響

艙體的臨界壓力與材料的強度沒有直接關系。材料的彈性模量E 和泊松比μ 值越大，抵抗變形的能力就越強，因而其臨界壓力也就越高。

3.3 艙體圓度和材料成分不均勻

穩定性破壞的主要原因不是艙體存在圓度及材料成分不均勻。即使艙體的形狀很精確和材料成分很均勻，當外壓力達到一定數值時也會失穩。

艙體的圓度與材料成分的不均勻性能使其臨界壓力的數值降低，即能使失穩提前發生。

4 展望

隨著水下航行器不斷升級，航行器水下工作深度不斷加大，未來航行器耐壓艙體結構需要對計算方法及結構設計等方面進行深化研究與應用。

1）從耐壓艙體的材料性能以及耐壓艙體在制造工藝等研究過程中提出了新的要求，為了能夠給航行器的結構優化設計提供必須的參考，這就需要進一步提高耐壓艙體關于臨界壓力計算的準確性。

2）在耐壓艙體安全性和可靠性研究方面，因為大深度的使用要求和新型材料的應用，也需要對其設計計算方法、殼體強度及穩定性計算、制造加工工藝等方面進行深入研究與應用。

5 結語

通過研究分析，掌握了水下耐壓艙體三種失穩形式，即總體失穩、肋間殼板局部失穩和中間支骨失穩預測臨界壓力的計算方法，為產品工程設計、產品結構性以及工藝性分析等方面提供強有力支撐，產品質量可靠性、穩定性得以提升。