超大潜深潜器耐压结构参数设计可行区域研究

张乃樑，马建军，伍 莉

(1.武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

0 引言

潜器耐压结构方案设计在满足结构安全性要求的前题下，追逐的结构参数优化目标不是单一的，如最轻结构重量［1］、最佳强度、最佳建造工艺、最低造价、最佳质量和最佳可靠性等［2］，所有这些都与潜器耐压结构参数密切相关，超大潜深潜器总体结构方案论证时必需综合平衡各优化目标要求，优化结构参数。在结构方案论证阶段，迫切需要一种方便有效的结构参数快速选取方法，以满足超大潜深潜器结构方案设计和优化需要，提高总体结构方案论证效率。

超大潜深条件下潜器耐压壳体承受着巨大的海水压力，为确保潜器内部人员和设备安全，潜器耐压壳体必须首先具有足够的强度和稳定性［3］。分析表明，结构的强度和稳定性主要与3个无量纲结构参数有关，也就是说理论上应该存在一个设计可行区域，在该区域内所有点都能同时满足结构强度和稳定性要求，结构参数的优化可在该区域内进行。本文在分析超大潜深潜器耐压结构强度标准和强度计算方法的基础上，提出超大潜深潜器耐压结构参数设计可行区域的设计思路和可行区域边界计算方法，针对高强度钢、超高强度钢材料和现有潜器结构参数取值范围，通过理论分析和编程计算，绘制出超大潜深潜器耐压结构参数设计可行区域图谱，为超大潜深潜器总体结构方案论证提供了一个有力的设计工具。

1 研究思路

1.1 研究对象

研究对象为典型带肋圆柱壳结构。结构材料为高强度钢和超高强度钢，屈服点分别为常规潜器计算压力的184倍和230倍。

1.2 安全系数和计算压力

安全系数K是修正理论计算方法和工程实际问题之间差异的1个修正系数。它与腐蚀、建造、超深、材料物理特性、疲劳、理论计算与实际结构之间差异等诸多因素相关［4］，是确保潜器结构安全性所必需的。由于设计思想和使用条件不同，各国潜器安全系数K取值也不完全相同，通常在1.4～1.7之间［5］，本文暂取K=1.5。

超大潜深潜器极限压力取常规潜器的2倍。计算压力为极限压力乘以安全系数K。

1.3 结构参数设计可行区域设计

根据文献［3］，潜器耐压壳体安全性要求包括3个应力控制标准、肋间壳板失稳临界压力控制标准和总体失稳临界压力控制标准。其中，3个应力控制标准中的控制应力和肋间壳板失稳临界压力表达式均为3个无量纲参数［R/t，u，β］的函数，而总体失稳临界压力表达式则为上述3个无量纲参数和1个与肋骨剖面惯性矩相关的无量纲参数I/R3l的函数。也就是说，即使在参数［R/t，u，β］确定的情况下，也可以通过调整肋骨剖面惯性矩I，使得总体失稳临界压力满足结构安全性要求。这样，潜器耐压壳体安全性要求由5个减少为4个，它们共同围成一个区域，该区域内所有点都能同时满足结构强度和稳定性要求，该区域即为超大潜深潜器耐压结构参数设计可行区域。

2 结构参数设计可行区域分析

2.1 结构参数取值范围

根据结构材料特点和实际工程应用情况，参照文献［6］中给出的［R/t］取值范围，采用高强度钢材料超大潜深潜器结构参数［R/t］取值范围为70～110，采用超高强度钢材料超大潜深潜器结构参数［R/t］取值范围为85～125。

2.2 应力控制标准分析

根据文献［3］中3个应力控制标准为:

壳板跨中周向平均应力

壳板跨端内表面纵向应力

肋骨应力

根据以上应力控制标准和文献［7］给出的辅助函数K1，K2和Kl表达式，可导出超大潜深潜器结构参数设计可行区域应力控制边界曲线表达式，式中F1，F2和F4均为无量纲结构参数u的函数。

壳板中面周向应力控制标准对应的边界曲线:

壳板内表面纵向应力控制标准对应的边界曲线:

肋骨平均应力控制标准对应的边界曲线:

2.3 肋间壳板失稳临界压力控制标准分析

文献［3］肋间壳板失稳临界压力控制标准为:

临界压力控制标准和文献［7］给出的修正系数Cs和Pe表达式，可导出超大潜深潜器结构参数设计可行区域肋间壳板失稳临界压力控制边界曲线表达式，式中Cs和Pe为无量纲结构参数u和R/t的函数，

3 结构参数设计可行区域计算

上节分析表明，超大潜深潜器耐压结构参数设计可行区域的3个应力控制标准和1个肋间壳板失稳临界压力控制标准边界曲线均为无量纲结构参数［R/t，u，β］的函数，针对每一确定的［R/t］值，采用编程计算方法，都可以得出4条曲线，共同构成超大潜深潜器结构参数设计可行区域，一系列［R/t］值对应的结构参数设计可行区域则构成超大潜深潜器结构参数设计可行区域图谱。

3.1 高强度钢潜器结构参数设计可行区域图谱

采用高强度钢材料超大潜深潜器结构参数设计可行区域计算结果见图1～图5。

3.2 超高强度钢潜器结构参数设计可行区域图谱

采用超高强度钢材料超大潜深潜器结构参数设计可行区域计算结果见图6～图10。

图6 超高强度钢材料结构参数设计可行区域(R/t=85)Fig.6 The chart of higher strength steel structure parameter feasible design region(R/t=85)

4 结语

本文通过分析超大潜深潜器耐压结构安全性控制标准，给出了结构参数设计可行区域边界曲线表达方法，针对采用高强度钢和超高强度钢材料典型带肋圆柱壳结构，采用编程计算方法，绘制出了结构参数设计可行区域图谱，为超大潜深潜器总体结构方案论证提供了一个有力工具，得出的主要结论如下:

图10 超高强度钢材料结构参数设计可行区域(R/t=125)Fig.10 The chart of higher strength steel structure parameter feasible design region(R/t=125)

1)结构参数设计可行区域内的所有点均能满足超大潜深条件下耐压结构强度和稳定性要求;

2)材料相同情况下，随着结构参数R/t值的增大，结构参数设计可行区域逐渐缩小;

3)材料不同情况下，结构参数R/t的取值随材料屈服点的提高而增大;

4)在现有超大潜深潜器结构参数取值范围内，相邻肋骨跨中壳板中面周向应力标准控制边界曲线远在稳定性标准控制边界曲线之上，即设计可行区域不受相邻肋骨跨中壳板中面周向应力标准限制。

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