潜艇耐压液舱结构破坏原因及加强形式探讨

龚君来

武汉第二船舶设计研究所 武汉 430064

潜艇耐压液舱结构破坏原因及加强形式探讨

龚君来

武汉第二船舶设计研究所 武汉 430064

耐压液舱区域的耐压壳体在外载荷作用下发生破坏，其破坏原因与相邻耐压壳体的受力相关，相邻耐压壳体的变形对其影响往往很大。在吸收现有潜艇耐压液舱结构理论计算方法、有限元分析和试验研究的基础上，对其结构破坏原因及加强形式进行了探讨。

耐压液舱 结构破坏原因 加强

耐压液舱结构是最复杂的潜艇耐压结构之一，目前主要采用解析法、半解析法和数值方法。解析法和半解析方法通过分别建立耐压船体壳板、液舱壳板、实肋板的微分方程进行联合求解，得到理论计算公式，经过模型试验验证并根据试验数据进行适当修正，使得理论计算结果（结构承载能力预报）更接近实际［1］。

有限元方法是分析耐压液舱结构强度和稳定性的重要方法之一，计算结果有助于揭示复杂结构的力学特性及各构件之间的相互关系，容易获得结构参数匹配程度及高应力分布区域等信息，为完善耐压液舱结构强度计算方法、优化结构设计以及提出更加新型合理的耐压液舱结构形式提供理论依据［2-3］。

模型试验是验证理论计算结果准确性和可靠性的有效途径。目前我国在这方面开展了大量的研究工作，积累了丰富的试验数据，取得了一大批科研成果，极大地提高了潜器耐压液舱结构设计的安全性和合理性。为解决潜器下潜深度增加带来的耐压液舱结构承载能力和结构重量之间的矛盾具有实际意义。

1 模型试验结构破坏形式、部位及受力分析

对于结构进行模型外压试验是检验计算结果的有效途径。通过对外置式耐压液舱结构进行的一系列模型试验表明，耐压液舱结构的破坏形式和部位见图1。

图1 耐压液舱结构破坏形式和部位示意图

从图1可看出，破坏部位发生在耐压液舱的最边一档的耐压壳体上（＃1～＃2），破坏形态为轴对称局部失稳，耐压液舱结构受力、变形情况见图2。

图2 耐压液舱结构承受外载示意图

在外载荷作用下，＃0～＃1处耐压壳体也要受外载荷作用，而不象耐压液舱部分的耐压壳体不直接受到外载荷的作用。而＃0～＃1间耐压壳体的变形在＃1耐压壳体处的转角却和＃1～＃2间耐压壳体的变形引起的转角方向相同，因此两者必然会叠加，其壳体变形峰值见图1，在＃1～＃2之间靠近＃1处。而＃0～＃1壳体靠近＃1处却不会有此峰值，因为＃1～＃2间壳体变形是耐压壳体抵抗＃1和＃2处变形所致。＃0～＃1间耐压壳体的变形对＃1～＃2间耐压壳体的变形影响超过了外载荷P通过耐压液舱壁板传到耐压壳体上的力引起的变形影响，因此耐压液舱结构会出现如图1那样的破坏形式。

2 耐压液舱壳体部分加强形式

根据上述的受力分析，对几种可能的加强形式作出如下分析。

1）见图3，加强形式即在耐压液舱部分的耐压壳体每档肋距1／2部位加加强肋骨。如前面的分析，＃1～＃2间壳体变形的峰值不在1／2肋距部位，且此部分壳体的变形是由＃1和＃2处舱壁板将耐压液舱壳体受外载荷作用下传到耐压壳体上所至，对帮助承担由此引起的变形作用不大，且对减小峰值处的变形影响更小，因此认为此加强形式对增加耐压液舱的承载能力作用并不明显。

图3 跨中加中间支骨加强

2）见图4，加强形式即在舱壁板加强筋根部加肘板。

此加强形式对于降低紧靠＃1耐压壳体部位的σ1是有很大的作用。但是对改善整个耐压液舱的承载能力却无多大好处，因为该加强形式不过是将σ1的峰值部位由＃1处转移到11处而已，而且11处的壳体应力分布梯度更恶化。这一点在过去的试验研究中已经得到证实。当两块肘板之间间距小到某一数值如1／3（肋距）时，情况又当别论。但是显然这是不切实际的加强方式。

图4 舱壁板加强筋根部加肘板

3）加强形式见图5。在＃0～＃1之间加中间肋骨如在01点，01～1的距离小于或等于1／2肋距。这样能有效地降低＃0～＃1肋骨间耐压壳体受外载荷作用下的变形，也即减小对＃1～＃2间耐压壳体的变形影响。01越靠近1点，效果越明显。考虑到实际施工中施焊的因素，可将01肋骨布置于耐压壳体内进行加强。

图5 液舱外一挡肋距加中间支骨

4）另一种加强形式既将＃1、＃5肋骨区域的耐压壳体板改为厚板，见图6。其厚度tj＝1．7～2．0t，宽度b≈1／3（肋距）。此加强方式可对舱壁板处的转角进行抑制，对于提高耐压液舱部分的承载能力具有一定的帮助，同时实际施工方面亦较为理想。

图6 耐压壳体液舱壁板根部耐压体加厚板

3 结论

潜艇耐压液舱结构的力学行为和破坏机理相当复杂，其影响因素还有很多，包括结构型式、材料特性、工艺和公差、总体和性能需求等等。计算结果及分析结论还可能受到耐压液舱总体几何尺度、结构参数及其匹配程度等因素的影响。

由于潜艇的下潜深度不断加大，外置式耐压液舱结构所使用的板材厚度、结构重量及容重比成为制约其结构设计的瓶颈。文中旨在对于已相对固定的耐压液舱结构参数的情况下，对其结构局部进行加强，以期进一步挖掘其承载能力，避免潜艇因下潜深度增加带来的耐压液舱结构承载能力和结构重量之间的矛盾。

［1］朱邦俊，万正权．潜艇耐压液舱结构强度研究［J］．船舶力学，1998（1）：28-36．

［2］黄加强，贺小型．带纵骨实肋板式耐压液舱壳板强度计算方法研究［J］．中国造船，1996（3）：77-86．

［3］罗 斌，陈 强，徐云椿．潜艇纵骨式全实肋板耐压液舱壳板强度计算方法研究［J］．中国造船，1999（2）：74-80．

The destruction reason and reinforcement of submarine′s pressure tank structure

GONG Jun-lai
Wuhan Second Ship Design Institute Wuhan 430064

The structural destruction reason of the pressure hull of submarine′s pressure tank under outside loadings is often related with the loading condition of the neighbouring pressure hull．The deformation of the neighbouring pressure hull has great effect upon the structure of pressure tank．Based on the theoretical calculation，FE analysis and experimental research of the submarine′s pressure tank，the authors discuss about its structural destruction reasons and the corresponding stiffening pattern．

pressure tank structural destruction reason reinforcement

U661．42

A

1671-7953（2007）02-0032-03

2006-07-29

修回日期2006-10-12

龚君来（1972—），男，大学，工程师。