不同结构参数的锥环柱结构强度性能分析

肖文勇，黄 旎

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

不同结构参数的锥环柱结构强度性能分析

肖文勇，黄 旎

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

锥环柱结构是柱壳和锥壳连接的一种新型结构形式，实现了柱壳和锥壳的光顺连接，可消除结构的不连续性，降低纵向弯曲应力峰值，应力分布均匀，结构重量小，且最大应力部位避开了焊缝。通过不同结构形式的计算和对比分析，展示锥环柱结构的优越力学性能。通过不同结构参数的多方案计算和分析比较，得到环壳半径、环壳厚度和半锥角对环壳力学性能的影响。

锥环柱结构；应力；结构参数

潜艇耐压结构主要是圆柱壳，但根据总体布置的需求，往往需要采用不同直径耐压船体，从而形成锥柱结合结构。在锥壳和柱壳的结合部位，耐压船体结构出现纵向不连续。在深水压力下，结构的不连续性使耐压船体局部产生了比较高的二次应力——高应力集中，从而削弱了结构的强度和疲劳性能。锥壳的半锥角越大，应力集中的峰值越高，并且该峰值应力出现在柱壳和锥壳连接的焊缝上。因此，锥柱结合结构是潜艇耐压结构的薄弱部位，它制约潜艇耐压结构的承载能力，是潜艇下潜深度的瓶颈。

文献[1-2]中介绍了几种常见的局部加强的结构形式，主要有“贴板加强” “厚板对接加强” “纵筋加强”和“厚板削斜”等。前两种加强结构形式现在已淘汰不用,目前使用较多的是纵筋加强结构和厚板削斜结构。纵筋加强结构(见图1)是通过周向布置一定数量的纵向加强筋，其特点是制造工艺简单，对建造偏差不敏感。该种结构形式是由纵筋承担转折区的纵向弯矩，在一定程度上降低了结合区的纵向应力，但应力峰值依然较高，且出现了量值较高的拉应力，当采用高强度钢时结构会产生疲劳裂纹，易出现疲劳破坏[3-4]。厚板削斜结构(见图2)是在锥柱结合处嵌入一个厚板锥壳段，使其半锥角为原锥柱锥壳半锥角的一半，两端通过加工削斜，与前后的锥柱壳体对接，其特点是应力分布较为均匀，对周向应力和纵向应力均能有效降低，解决了焊缝与高应力点错开问题，对加工偏差不敏感，但结构重量较重，对应力的降低也有限。

图1 纵筋加强结构

图2 厚板削斜结构

随着潜艇下潜深度的增加，上述结构形式已逐渐不能满足使用要求。近年来相关单位通过研究，提出了“锥环柱结合壳”(见图3)的新型结构形式[5]。

图3 锥环柱结合壳结构

锥环柱结合壳是在柱壳和锥壳之间嵌入一段“环壳块”，“环壳块”两端分别与柱壳和锥壳相切连接，实现了柱壳与锥壳的光顺连接，从而消除了结合部的折角，大幅度降低了结合部的应力峰值，而且结合部的最大应力不出现在环壳块与柱壳和锥壳连接的焊缝上。同时该种结构形式重量也较轻。文献[6-7]对锥环柱结合壳结构进行了模型试验，验证了锥环柱结构的强度和稳定性，并与锥柱等其他结构形式进行了比较，其强度和稳定性均高于同样厚度的其他结构形式，得出锥环柱结合壳结构是一种优越结构形式的结论。

在以往的研究中，相关文献并未对锥环柱结构力学性能的相关影响参数进行系统研究。对于锥环柱结合壳结构，其力学性能主要取决于环壳半径、环壳厚度和锥壳半锥角等结构参数。文中首先采用有限元分析方法，对锥柱结合结构、厚板削斜结构和锥环柱结合壳结构的力学性能进行了对比。然后针对锥环柱结合壳结构，通过对不同环壳半径、不同环壳厚度和不同环壳半锥角的系列锥环柱结构模型进行计算分析，得出锥环柱结构力学性能与不同结构参数的曲线关系，为锥环柱结构设计提供参考。

1 不同结构形式对比分析

采用有限元方法，对锥柱结合结构、厚板削斜结构和锥环柱结合壳结构进行强度计算见图4。其中锥柱结合结构柱壳板厚取为30 mm，锥壳板厚取34 mm；厚板削斜结构厚板取42 mm；锥环柱环壳半径取为2 500 mm，板厚取34 mm。

图4 不同结构形式计算模型

由于模型为轴对称模型，采用轴对称平面单元，选取耐压船体纵向剖面进行计算。对于凸锥结构，主要考核内表面纵向应力的水平，3种结构形式的内表面纵向应力分布曲线见图5，力学性能比较见表1。

图5 不同结构形式内表面纵向应力分布曲线

表1 不同结构形式力学性能比较

从图5和表1可以得出如下结论。

1)锥柱结合壳结构在锥柱结合处存在很大应力集中，内表面最大纵向应力达到-1 288 MPa，且位置与焊缝位置重合。

2)厚板削斜结构一定程度地降低了锥柱结合部位的峰值应力，但重量增加较多，且在斜锥和柱壳结合处仍然存在较高的内表面纵向应力，最大应力达到-796 MPa，且位置与焊缝位置重合。

3)锥环柱结合壳结构重量增加很少，环壳处的内表面最大纵向应力仅为-543 MPa，小于柱壳肋骨根部内表面纵向应力-617 MPa，且与焊缝位置错开。

通过上述对比分析可知，锥环柱结构的力学性能最佳，是一种优越的结构。

2 锥环柱结构参数的影响分析

锥环柱环壳的结构参数主要包括环壳半径、环壳厚度和锥壳半锥角。下面通过系列参数模型的对比分析，得出环壳结构参数与其力学性能的曲线关系。

2.1 环壳半径

选取1 000、1 500、2 000、2 500以及3 000 mm 5种半径的锥环柱结构进行力学性能计算和比较。计算模型主要结构参数如下：柱壳壳板厚度为30 mm，环壳厚度为34 mm，锥壳壳板厚度为34 mm，锥壳半锥角为12°。

选取环壳段及其前部一档锥壳和后部一档柱壳作为研究对象，柱壳段坐标区间为0～600 mm，环壳段区间为600～1 200 mm，锥壳段区间为1 200～1 700 mm(下同)。此处的坐标区间与图5、6、8和10中横坐标的位置相对应。不同半径的环壳力学性能比较见表2，环壳内表面纵向应力分布曲线见图6，环壳内表面纵向应力随环壳半径变化关系见图7。

表2 不同半径的环壳力学性能比较

图6 不同环壳半径内表面纵向应力分布曲线

从表2、图6和图7可以得出如下结论。

1)相同环壳厚度时，不同半径的环壳重量相差极小，基本可忽略不计。

图7 环壳内表面纵向应力随环壳半径变化曲线

2)环壳半径对环壳的力学性能影响较大，环壳内表面纵向应力随着环壳半径的增大而减少。当环壳半径为约2 000 mm时，环壳内表面纵向应力与柱壳肋骨根部内表面纵向应力水平相当。

3)环壳半径小于一定值时，环壳外表面纵向应力为拉应力，随着半径增大，环壳外表面纵向应力逐渐变为压应力。

4)不同直径的环壳周向应力水平相当，差别不大。

5)在上述半锥角下，当环壳的半径达到2 000 mm时，环壳内表面纵向应力水平与柱壳肋骨根部内表面纵向应力水平相当；环壳半径超过R2 000 mm后，环壳内表面纵向应力进一步降低，低于柱壳肋骨根部内表面纵向应力水平。

2.2 环壳厚度影响分析

选取26,28,30,32,34,36,38和40 mm 8种不同环壳厚度的锥环柱结构，进行力学性能计算和比较。计算模型主要结构参数如下：柱壳壳板厚度为30 mm，环壳半径2 500 mm，锥壳壳板厚度为34 mm，锥壳半锥角为12°。不同环壳厚度的环壳力学性能比较见表3，环壳内表面纵向应力分布曲线见图8，环壳内表面纵向应力随环壳厚度变化关系见图9。

表3 不同厚度的环壳应力比较 MPa

图8 不同环壳厚度内表面纵向应力分布

图9 环壳内表面纵向应力随环壳厚度变化

从表3、图8和图9可以得出如下结论。

1)随着环壳厚度的增加，环壳内表面纵向应力减少，应力与厚度不是线性关系。当环壳厚度为28 mm时，环壳内表面纵向应力与柱壳肋骨根部内表面纵向应力水平相当。

2)随着环壳厚度的增加，环壳周向应力减少，且整体应力水平较低。

3)环壳厚度对环壳的力学性能有一定影响。对于本计算的环壳，环壳厚度低于34 mm时，影响较大；壳厚度大于34 mm后，影响较小。

2.3 半锥角影响分析

选取8°,10°,12°,14°和16°的5种不同半锥角的锥环柱结构进行力学性能计算和比较。模型主要结构参数如下：柱壳壳板厚度为30 mm，环壳半径为2 500 mm，环壳厚度为34 mm，锥壳壳板厚度为34 mm。不同半锥角的环壳力学性能比较见表4，环壳内表面纵向应力分布见图10。

表4 不同半锥角的环壳力学性能比较 MPa

图10 不同半锥角内表面纵向应力分布

从表4和图11可以得出如下结论。

1)在相同的环壳半径时，不同锥角之间的环壳内表面纵向应力在500～550 MPa之间变化；环壳外表面纵向应力水平较低，差别不大；环壳周向应力水平相当，差别不大。

2)环壳半径不变时，随着半锥角增大，肋骨处的壳板内表面纵向应力增加。

3)半锥角对环壳的力学性能影响不大。

3 结论

1)相对于锥柱结合壳和厚板削斜结构，锥环柱结构实现了柱壳和锥壳的光顺连接，消除了结构的不连续性，大幅降低了纵向弯曲应力峰值，应力分布均匀，结构重量小，且最大应力部位避开了焊缝，是一种优良的连接结构形式。

2)锥环柱结构环壳半径对其力学性能影响最大，其次是环壳厚度，最后是半锥角。

3)通过合理的锥环柱环壳参数设计，可使环壳内表面纵向应力与柱壳肋骨根部内表面纵向应力水平相当或更低，可以满足相关规范的要求。

[1] 蒋培林．潜艇锥柱结合壳加强形式研究[J]．舰船科学技术，1998(6)：8-13.

[2] 许 兵，蒋培林．锥柱结合壳加强形式应用研究[J].船舶工程，2004，26(3)：16-20.

[3] 白雪飞，郭日修．潜艇耐压艇体纵筋加强锥柱结构壳力学行为的分析[J]. 船舶力学，2009，11(3)：516-520.[4] 戴自昶.纵筋加强的凸锥柱结合壳应力状态的有限元分析[J].计算结构力学及其应用，1981，8(3)：305-312.

[5] 郭日修，吕岩松，黄加强,等．加肋锥环柱结合壳试验研究[J]．船舶力学，2008，12(2)：252-257.

[6] 吕岩松，郭日修．含凸、凹型加肋锥环柱结合壳的连接结构试验研究．哈尔滨：哈尔滨工程大学学报，2011，32(9)：1140-1143.

[7] 黄加强，郭日修．加肋锥环柱组合壳强度及稳定性模型实验研究[J]．中国造船，1998，4：57-65.

A Structural Parametric Analysis on the Strength of the Cone-toroid-cylinder Combined Shell

XIAO Wen-yong, HUANG Ni

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

As a new-type structure connecting the cylinder shell and the cone shell, the cone-toroid-cylinder combination shell brings many advantages such as smooth connection between the cylinder shell and the cone shell, avoiding the structure discontinuity, reducing the maximum longitudinal bend stress, uniform stress distribution, small structure weight, and the maximum stress position avoiding the welding line. By calculation and comparative analysis of different structures, the cone-toroid-cylinder combination shell represents excellent mechanical performance. Different factors to affect the mechanical performance are analyzed, such as the radius and thickness of toroid, as well as the angle of the cone shell.

cone-toroid-cylinder combination shell；stress；structure parameter

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.005

2014-09-11

国家部委基金资助项目

肖文勇(1979-)，男，硕士生，工程师

U661.43

A

1671-7953(2015)01-0019-05

修回日期：2014-10-11

研究方向:船舶结构设计

E-mail:xiaowenyong1207@126.com