大深度救生钟耐压结构的优化设计

苗兰森，胡 勇，沈允生

（1.海军司令部驻天津地区防救军事代表室，天津300042；2.中船重工集团公司第702所，江苏 无锡214000）

大深度救生钟耐压结构的优化设计

苗兰森1，胡 勇2，沈允生2

（1.海军司令部驻天津地区防救军事代表室，天津300042；2.中船重工集团公司第702所，江苏 无锡214000）

针对某型救生钟的救生舱耐压壳体，推导出典型水下耐压结构的计算公式，建立结构优化数学模型，并编制计算程序以求解结构最优尺寸，在此基础上确定耐压结构的设计尺寸。对设计结果采用有限元计算和规范计算比对分析，结果证明采用程序计算设计的优化尺寸满足工程要求。本文提供的计算方法可为水下环肋耐压壳体结构工程设计提供参考。

大深度；救生钟；结构优化设计

救生钟是目前国内外普遍使用的一种援潜救生装备。该装备在水下通过与潜艇对接平台对接，将失事潜艇艇员转移到救生钟的救生舱室内。艇员搭乘救生钟转移到水面母船。救生钟的救生舱是由高强度钢加工而成的耐压结构。对于救生钟结构的优化设计，在满足工作深度要求的条件下，追求以较轻的耐压壳体重量获取较大的密闭耐压空间，即重量浮力比最小化是评价耐压结构的设计是否优化的重要指标。本文针对某型救生钟的耐压结构设计进行了优化分析，在满足规范要求的基础上，开发了一套优化设计程序，用于寻找最优结构尺寸。在此基础上，对程序计算、有限元计算和潜水器设计规范计算进行了比较，证明了结构设计的优化性。

1 典型结构的优化设计

1.1 基本参数

救生钟的耐压结构主要分为环肋圆柱结构、扁球封头结构和开口加强结构3种。这些结构内部空间尺寸是根据设备布置与营救人数的需要而定。因此，其排水体积基本上是根据总体设计需要而得到的确定值。在排水体积和设计工作深度确定的条件下，最小结构重量是最优设计目标。其相关材料和设计指标如下：

主体结构材料：921A钢

弹性模量：E＝1.96 GPa

泊松比：μ=0.3

密度：G=7 850 kg/m3

材料屈服点：σs＝590 MPa

安全因数：K＝1.5

极限工作深度：he=200 m

计算深度：hc=300 m

环肋圆柱壳体半径：R＝0.9 m

救生舱有效长度：L＝2.2 m

1.2 环肋圆柱壳体的优化设计

受外压的环肋圆柱壳的主要破坏形式有以下3种：（1）强度破坏；

（2）筋间壳板失稳破坏；

（3）总体失稳破坏。

3种破坏形式的极限破坏压力通常是不一样的。当3种破坏形式的极限压力比较接近时，可以认为结构的效率最高。

强度破坏是经历由弹性到塑性，最后到断裂的渐变过程；筋间壳板失稳后，整个环肋圆柱结构并不一定立即开裂透水，而总体失稳破坏会立刻危及乘员安全。因此，对环肋圆柱壳结构设计时，在满足强度要求的前提下，总体失稳压力设计为略大于筋间壳板失稳压力。

参考潜艇及潜水器规范要求，超大潜深救生钟的环肋圆柱壳结构应满足以下约束条件：

壳板跨中中面周向应力：

壳板跨端内表面纵向应力：

肋骨应力：

筋间壳板屈曲压力：

式中：Pj为计算压力，即300 m水深压力。

总体屈曲压力：

环肋圆柱壳的优化设计以满足主尺度条件下壳体最轻为目标函数。以潜艇结构设计计算方法中规定的最小应力要求和最小稳定性要求为约束条件，即在满足式（1）～式（5）的

环肋圆柱壳的半径R，总长L为已知量。壳板的厚度t，肋骨间距l，加强筋的剖面面积F，加强筋的惯性矩I为4个未知变量。在这4个未知变量中，加强筋的剖面面积F和惯性矩I不是相互独立的变量。如果采用球扁钢作为加强筋，其剖面面积和惯性矩依型号而定。因此，在不同球扁钢型号下，可把F和I视为定值，这样只有t和l两个独立变量确定结构的几何尺寸。在满足式（1）～式（5）的条件下，耐压壳体相对比重最小的几何尺寸定为最优方案。

因此，分别取不同型号球扁钢为加强筋，以t和l为独立变量，同时满足以下不等式组：

该不等式组中，Kf，K1，K2，Cs均与参数 u，β 相关， 查图谱而定。为了便于程序计算，将图谱回归成二元二次多项式，具体回归方法如下：

（1）利用系数的数值表结果，首先利用最小二乘法原理回归出 fu=u0（β）；

（2）计算出β相对于u0的影响系数；

利用两元非线性回归分析可得到如下的计算公式：

根据上述回归公式，本文编制了相应分析程序寻找满足规范要求的最佳尺寸（重量最轻）。表1为程序计算结果。从表1的程序计算结果可以看到，最优尺寸选择应该是壳板厚度5.7 mm，肋骨间距150 mm，球扁钢号5，总重量604.7 kg。结构最先接近许用强度的是局部失稳。在实际设计时，考虑到肋骨间距太小，焊接量大，变形控制要求高，选用肋骨间距为400 mm，5号球扁钢肋骨加强，对应壳板厚度不小于8.5 mm即可满足强度要求。对应总重量为731.3 kg。

1.3 扁球封头设计

救生舱的上下封头为受外压扁球封头。根据规范要求，需满足强度和稳定性两项要求，即：

表1 优化结果

式(11)可将式(12)～式(14)代入后进行迭代计算，寻找最优化厚度。根据程序计算结果，上封头和下封头的最优厚度为16.1 mm，实际设计取18 mm，此时壳板应力为439 MPa，失稳压力为3.0 MPa。

1.4 开孔加强设计

舱口盖开口加强通常有两种方法，一种方法是采用法兰加强形式，一种是采用围栏加强形式。对于本结构采用围栏加强更加有利，原因是法兰下封头的壳体厚度较薄，与法兰连接过渡区域较大，围栏加强结构形式更加简单。对于受外压的围栏加强结构，潜水器设计规范规定按照数值计算方法进行计算，围壁与壳体连接处板边缘的中面周向应力不超过材料屈服强度的1.15倍。

本文采用有限元方法搜索最小结构尺寸。搜索结果为围栏最小厚度t1＝21.8 mm，有效高度h＝157 mm，可以满足规范要求。 实际设计取 t1＝25 mm，h＝180 mm。

1.5 优化设计结果

根据程序计算结果，救生舱耐压结构选取表2几何尺寸。

表2 程序优化得到的几何尺寸

表3 计算结果比较

2 有限元分析及比较

采用通用有限元软件Ansys进行分析。选取整个耐压结构（不包括转裙）为分析对象，进行三维有限元结构建模，有限元模型包括舱室壳板、肋骨、上下封头、出入舱口盖围栏等。计算模型可根据结构的对称性取1/2进行计算；计算模型的壳板、围栏、上下封头均采用板壳单元，肋骨采用梁单元，模型总共划分了79 343个单元，其中板壳单元全部采用Shell-63单元，共有71 201个，梁单元全部采用Beam-188单元，共有 9 142个。

图1为壳板综合应力云图；

图2为环肋综合应力云图；

图3为下封头中面应力云图；

图4为上室圆门加强围栏中面应力云图；

图5为钟本体综合应力云图。

图1 壳板综合应力云图

图2 环肋综合应力云图

图3 下封头中面应力云图

图4 上室圆门加强围栏中面应力云图

图5 钟本体综合应力云图

3结论

（1）采用普遍应用于工程设计中的优化方法，设计大深度救生钟耐压环肋结构，不仅可以大大提高材料的利用率，降低产品的材料成本，而且通过减轻装备重量，提高了装备的机动性能，降低了对工作母船吊装设备的要求，减轻了操作使用强度。

（2）采用回归公式编制计算程序寻找结构最佳尺寸，并在此基础上进行结构优化设计，经与有限元计算和规范计算比对，其结果满足实际要求，表明计算方法和程序合理、正确、可靠，可以用于同类工程设计。

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[5]胡勇.考虑筋/板相互作用的环肋圆柱壳屈曲强度分析[J].船舶力学，2005，19（4）：89-97.

Abstract：The framework optimization mathematic model is built on the computation formulation for typical underwater stress resistant framework deduced for a certain rescue bell.The design dimension is confirmed by the computation program.The analysis by finite element calculation and criterion computation proved that the design dimension fulfill the engineering requirement.The computation method could provide a reference for engineering design of the framework of rescue bell.

Key words：deep water;rescue bell;framework optimization design

Stress Resistant Framework Optimization Design of Deep Water Submarine Rescue Bell

MIAO Lan-sen1,HU Yong2,SHEN Yun-sheng2
（1.The Navigation Guarantee Department of Chinese Navy Headquarters,Tianjin 300042,China;2.China Ship Science Research Center,Wuxi Jiangsu 214082,China）

P755.2，E925.66

A

1003-2029（2011）01-0095-05

2010-09-01条件下重量最轻。