千岛湖10客位观光潜艇强度分析

储泉松（南京新华日报社，南京，210092）



千岛湖10客位观光潜艇强度分析

储泉松
（南京新华日报社，南京，210092）

摘要：作为现代潜艇的一个分支，观光潜艇与完备的现代潜艇具有共同的技术基础。同时由于观光潜艇以游客为主，对于潜艇的安全性和可靠性有更高的要求。本文对一艘航行于千岛湖的10客位观光潜艇进行了概念设计，参考合适的母型船，确定了观光潜艇的主尺度，建立了观光潜艇的三维模型，基于Abaqus对潜艇的耐压结构进行了强度校核，本文为观光潜艇的强度分析提供了技术参考。

关键词：观光潜艇；仿真；强度；有限元

0 引言

随着社会的发展与人民生活水平的提高，水下旅游正在兴起。观光潜艇具有观察直接、利润大等特点，，目前的研究越来越引起人们的重视。千岛湖位于浙江淳安，这里有我国规模最大、最完备的水下古建筑群供游人参观。因此，研究合适的水下观光潜艇，对千岛湖水下景点价值的实现具有重要意义。

观光潜艇目前具有广阔的市场前景。我国具有广阔的海洋，海南岛、西沙群岛、青岛、大连等地都是发展水下旅游的黄金水域。当地政府为了振兴经济，纷纷瞄准水下旅游这一商机，在此时期，对观光潜艇的设计与研究具有重要的价值。

由于观光潜艇以游客为主，对安全性和可靠性有着更高的要求，因此，强度校核成为观光潜艇设计中的首要任务，有限元法的出现，使传统的传播结构力学方法及结构强度计算方法发生了根本变革。过去手工计算方法不能解决的问题，用有限元法迎刃而解。

1 潜艇主尺度的确定

1.1 潜艇主尺度的确定原则

千岛湖10客位观光潜艇是专门为旅游业设计的可容纳10名乘客的潜艇。潜艇的设计满足CCS潜水系统和潜水器入级与建造规范严格要求。它的特点是通过在水线以上使用成型的玻璃纤维柱架，使该艇具有流线型水动力形状。潜艇耐压壳的主尺度首先要满足重浮力平衡。经过对整个潜艇的设备初步布置及潜艇的重浮力估算，考虑到潜艇的潜浮性能、总排水量、成员人数、最大航速等基本参数，参考母型艇，同时保证乘客有足够的舒适空间，确定潜艇的主要尺寸。

1.2 外壳结构设计

耐压艇体是船舶承受海水压力的那一部分。观光潜艇型线图如图2.1所示，外壳结构由三部分组成，即艏部、艉部和平行舯体。潜艇下潜极限深度初步设定为H=75米，艇体总长度为L=7米，最大截面处直径D=1.8米。

艏部为球体体的一半，半径为900mm；

舯部为平行舯体，长度L2=3500mm；

艉部为椭圆体的一半，长半轴L2=2600mm，短半轴为900mm。

1.3 外壳厚度计算

外壳分为三部分，即艏部外壳、平行舯体部外壳和艉部外壳。与艏艉部外壳受力比较可知，舯体部位的外壳最容易产生变形破坏。因此要计算整个潜艇外壳的厚度，只需计算平行舯体部分的外壳厚度。

其中，p代表最大工作压力，单位为Mpa；

D0 代表壳体内径，单位为mm；

［σ］代表许用应力，单位为N/mm2；

潜艇采用屈服极限为340Mpa的Q345R钢，其许用应力为189Mpa，带入求得厚度为5.27mm.设计厚度6mm。

2 耐压壳体强度校核

2.1 半球形封头强度校核

问题描述：半球形封头中间开孔，用于安装驾驶员观察窗，孔直径为300mm，赋予截面属性E=2.1*105MPa，泊松比0.3，约束半球形封头与平行舯体连接处的自由度，外表面施加P=ρgh=1.1025MPa的均布载荷，划分节点数为1449的网格，提交作业分析，得到应力云纹图如图2.1所示。

图2.1 半球形封头应力云纹图

部分应力最大处结果如表3.1所示。

表2.1 应力最大处结果

由图2.1和表2.1可知，应力最大处出现在与平行舯体连接处及前方开口处，最大值为161.244＜0.85σs=289MPa，满足强度要求。

2.2 平行舯体强度校核

问题描述：圆筒形耐压壳体采用环向肋骨加强，肋骨采用6号球扁钢，肋骨间距为700mm， 赋予截面属性E=2.1*105MPa，泊松比0.3，约束半球形封头与平行舯体连接处的自由度，外表面施加P=ρgh=1.1025MPa的均布载荷，划分9831个网格，提交作业分析，得到应力云纹图如图2.2所示。

图2.2 平行舯体应力云纹图

部分应力最大处结果如表2.2所示。

表2.2 应力最大处结果

由图2.2和表2.2可知，应力最大处出现在与平行舯体连接处及前方开口处，最大值为198.376MPa＜0.85σs=289MPa，满足强度要求。

为了安装乘客观察窗，需要对耐压壳体进行开孔，孔的直径为300mm， 有10个乘客观察孔，每个观察孔可供一名游客观察，每个观察孔是一个锻件，经过机械加工具有向外锥型的开口、向外锥型角度60度。窗子有平的不变形的面和一个60度的匹配圆锥角，在安装窗子期间，一薄层不漏气油脂涂在密封面上，不用O型圈或其他密封。透明的保护罩保护它们内侧不损坏。观察窗采用A60级船用防火玻璃（图2.3），主要参数如表2.3所示：

表2.3 观察窗玻璃参数

图2.3 观察窗

开孔后耐压壳体模型如图2.4所示。

图2.4 耐压壳体模型

2.3 半椭球型艇尾强度校核

问题描述：半椭球形艇艉截面属性E=2.1*105MPa，泊松比0.3，约束半椭球形艇艉与平行舯体连接处的自由度，外表面施加P=ρgh=1.1025MPa的均布载荷，划分3015个网格，提交作业分析，得到应力云纹图如图2.4所示。

图2.5 半椭球形艇艉应力云纹图

部分应力最大处结果如表2.4所示。

表2.4 应力最大处结果

由图2.5和表2.4可知，应力最大处出现在与平行舯体连接处，最大值为287.572MPa＜0.85σs=289MPa，满足强度要求。

3 结论

本文根据千岛湖水下观光需求，依据相关规范，对千岛湖10客位观光潜艇进行了主尺度设计，基于Abaqus对潜艇耐压壳体进行了强度校核，得出以下结论：

1.我国海洋广阔，观光潜艇具有广阔的发展前景，本文为观光潜艇强度计算提供了技术参考。

2.现代潜艇耐压壳体往往采用同一种钢材，而观光潜艇需要对耐压船体进行开孔以便安装乘客观察窗，本文在半球形封头部分进行了开孔处理，在平行舯体部分对观察窗材料进行了选择。

3.由图3.2可知，平行舯体与艇艏及艇艉连接处形变量明显大于中间部分，说明在有限元分析中，局部分析与整船分析有一定的误差，误差的来源以及如何改进为以后的研究指明了方向。

4.由图3.4和表3.4可知，半椭球型艇尾强度虽然满足要求，但与平行舯体连接处出现了应力集中，在以后的结构设计中应当加以改进，例如用肋骨加强。

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Analysis on the intension of 10-seats tour submarine in Qian Dao Lake

Chu Quansong
（the XinHua News Agency，NanJing，210092）

Abstract：With the development of society and the improvement of people’s living standards，tourism in water is on the rise.As the most direct way of underwater sightseeing tourism，the research and development of tourism submarine are attracting more and more attention.At present，China’s tourist submarine is still in the initial stage，This paper is to provide a technical reference for the strength analysis for tourist submarine.

Keywords：tourist submarine；simulation；strength；finite element

中图分类号：TB21

文献标识码：A

文章编号：1006-0707 （2012） xx-xxxx-x

作者简介

储泉松（1960-），南京新华日报社，工程师。主要研究方向为飞机、雷达、电子仪表等。