长舱段耐压结构研究进展

(海军驻武汉719所军事代表室，武汉 430064)

随着大型设备进入舱室，环肋圆柱壳舱段尺度有不断增加的趋势[1-2]。相比于一般的环肋圆柱壳，长舱段环肋圆柱壳长度与半径之比明显大于一般的环肋圆柱壳[3]，使得舱段的稳定性问题突出。通过设置框架肋骨可在一定程度上改善长舱段的力学性能。长舱段是一种特殊的环肋圆柱壳，主要应用于较大深度的水下环境，其结构力学特性的计算方法可以参考普通环肋圆柱壳。然而长舱段与普通环肋圆柱壳结构参数的不同，所受外部压力亦有较大的增加，造成普通环肋圆柱壳结构力学特性计算方法不完全适用于长舱段耐压结构设计。尤其是对于设计单位而言，若依然采用现行规范[4]对长舱段进行结构设计则不合适。为此，从结构强度、稳定性以及结构优化的角度出发，对国内外长舱段结构力学性能的研究现状进行总结分析，并对长舱段结构有待研究的问题进行概括。

1 强度研究进展

长舱段耐压结构的强度研究，重点在于框架肋骨及其附近区域应力水平的计算方法研究。长舱段所受外部压力以及结构参数均与普通环肋圆柱壳不同。较大的外部压力对长舱段的结构强度提出了更高的要求，同时肋骨尺寸及其布置方式的变化，使得普通环肋圆柱壳的应力计算方法不再完全适用于长舱段结构。

对于耐压结构应力水平的计算，部分学者[3]提出采用加强棱柱壳体法，推导环肋圆柱壳静力微分方程，通过傅里叶展开，求得环肋圆柱壳的位移解，进而得到其应力解。通过该方法，可以得到环肋圆柱壳任何位置的应力值。但该方法的应力计算结果普遍偏大，在最危险的位置应力计算结果与有限元计算结果较为接近，可作为辅助校核。

朱邦俊等[5]从弹性力学角度出发，建立了一个较为精确的力学模型，提出潜艇横向刚性构架区域应力计算解析方法，对框架肋骨应力进行理论求解。该方法考虑了内、外框架肋骨和结点区域嵌入厚板, 以及厚、薄板连接处由于中曲面不一致而引起的附加力矩和邻近普通肋骨对框架肋骨纵向弯曲的影响；并指出内框架肋骨根部壳板内表面纵向应力明显大于相应的外框架肋骨；框架肋骨临近的普通肋骨对框架肋骨处的纵弯有一定的影响。但通过该方法得到的应力计算公式较为复杂，不便于工程人员直接使用。

邹广[6]等依据薄壳理论分析环肋圆柱壳的结构力学特性，根据现行规范等计算方法，分析了结构参数以及几何参数对应力的影响，同时分析了中间参数的物理意义，其结果可供长舱段结构设计参考。

2 稳定性研究进展

随着舱段长度的增大，舱壁对于舱段稳定性的有利影响将逐渐减小，舱段总体稳定性有待提高，框架肋骨的设置有助于提高长舱段的稳定性。随着长舱段下潜深度的增大，现行计算方法[7]计算得到的舱段失稳压力不再完全符合试验结论[8]。尤其是对于环肋圆柱壳的设计，利用何种计算方法才能得到长舱段相对准确而又安全的舱段总体失稳压力是必须要解决的问题。普通环肋圆柱壳稳定性的分析方法对长舱段稳定性的分析具有一定的参考价值。

框架肋骨用于提高长舱段的稳定性最早在国外出现。一些学者提出框架肋骨可提高舱段总体稳定性，并从理论与试验角度得到了印证，同时得到了带有框架肋骨长舱段弹性失稳临界压力的计算方法。William等学者则分析了框架肋骨对舱段弹性稳定性的影响规律，通过改变框架肋骨尺寸、肋骨间距、壳板厚度等模型尺寸，分析舱段总体稳定性的变化情况，寻找临界框架肋骨的尺寸，并对框架肋骨的结构设计提出了一定的建议。

国内对于框架肋骨对长舱段稳定性的影响也有一定的研究。宋世伟等[18]针对某一典型长舱段环肋圆柱壳，分别进行了一根框架肋骨结构优化、两根框架肋骨结构优化稳定性校核，指出随着舱段长度的增加，有限元计算的结果与解析结果差别逐渐增大，当增加到一定程度后，其差距已超出了工程适用范围。规范中环肋圆柱壳的稳定性计算公式对于长舱段的稳定性计算，有一定的不足之处，需要对其进行修正，或者将有限元计算结果作为环肋圆柱壳长舱段求解的重要参考。选用不同数量的框架肋骨，会在舱段重量与舱室容积上得到不同的效果。何福志[19]等总结长舱段失稳波形，提出周向失稳波形为3或4，纵向失稳波形为对称波或反对称波；对于长舱段总体稳定性的计算则采用Pcr=C×Pe；框架肋骨的刚度是提高长舱段总体稳定性的重要参数，设计合适的截面，得到合理的刚度对于提高舱段总体稳定性具有重要意义；框架肋骨安装位置的选择，对于长舱段的失稳模式也有很大的影响。

3 结构优化设计研究进展

舱段结构优化可以在满足一定约束条件下使得结构的力学性能达到最优。长舱段结构的优化设计方法与普通环肋圆柱壳的结构优化设计方法相类似。

吴剑国[20]考虑到在环肋圆柱壳结构设计中存在的不确定因素，进行结构的模糊优化设计。采用约束非线性混合离散变量优化方法，直接获得离散变量的最优解，无需作规格化处理。算例表明该方法简便实用，结果合理。杨卓懿[21]提出用APDL语言建立参数化结构有限元分析模型，并根据设计要求选取设计变量，用试验设计的方法在设计变量空间里选取样本点并进行结构分析，得到各样本点的响应。最后用这些样本点和响应建立起结构质量和应力的二阶多项式模型，并对响应面模型采用罚函数法进行优化获得最优解，以解决有限元模型应用于优化设计时效率低的问题。该方法提高了结构的强度利用率，缩短了优化时间。谢金鑫[22]亦采用APDL语言进行参数化有限元建模，同时利用ISIGHT对结构进行优化，效率较高。李学斌[23]等采用多目标遗传算法和多属性决策理论，针对潜艇环肋圆柱壳在静水压力作用下的多目标离散优化问题进行了研究，讨论了与潜艇结构强度设计有关的应力和失稳载荷与质量之间的关系，给出了不同目标之间的Pareto前沿。基于无偏好信息情况下的排序挑选出最优解，并且和经典的单目标最优解进行了比较分析，对于潜艇结构设计具有指导性意义。

朱学康等[24]以重量及强度应力为目标函数，求出了Pareto最优解，给出了强度应力和失稳载荷与重量之间的分布关系。采用逼近理想解的排序方法和信息熵方法，得到基于无偏好信息情况下的最优解排序。该联合方法能够快速寻找到最优解，并且这些解分布比较均匀、多样性好，能够为决策者提供较多选择，使得决策的最终结果合理。李学斌[25]基于分枝定界方法，研究了环肋圆柱壳静水压力作用下，考虑强度和稳定性约束时重量最轻的混合变量优化设计问题，讨论了强度约束和稳定性约束以及材料、几何参数对优化结果的影响。该方法能够有效求解环肋圆柱壳的混合优化问题，计算量小，精度高；环肋圆柱壳经优化后，壳板的重量比例大约是70%，肋骨重量占30%，并且随壳体的长径比(L/R)变化不大。宋世伟等则针对现行规范对环肋圆柱壳结构应力稳定性的要求，通过调整各应力之间的匹配性，优化框架肋骨结构尺寸，进而优化整个舱段的结构。通过分析得知相较于带有两根框架肋骨的长舱段，带有一根框架肋骨的长舱段不仅其各应力之间的匹配性更佳，其结构重量方面也有一定的优势。

4 结束语

依托于对普通环肋圆柱壳耐压结构的研究，长舱段耐压结构的研究已形成一个基本的体系，但仍有一些问题需解决。

1)长舱段耐压结构应力的理论计算结果与试验值之间仍存在一定的误差，使得理论分析仍存在一定的不可信度。

2)长舱段结构的极限承载能力的影响因素还未明确，研究还不够充分。

3)初始缺陷对长舱段力学性能的影响规律以及预防手段需得到进一步研究。

4)长舱段结构优化方面，需将大型肋骨的数量、位置以及结构形式等因素考虑在内。

长舱段结构的研究基础比较成熟，但仍需理论创新以满足工程上对理论计算结果的精度要求。而且大量的模型试验有待进行，以完善理论的不足。同时，有限元法等数值分析方法可用于长舱段结构的数值模拟，以弥补试验能力的不足。

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