潜艇发射筒保护盖力学性能分析

焦冀光，杨春，刘文一



潜艇发射筒保护盖力学性能分析

焦冀光1，杨春2，刘文一1

（1.91550部队91分队，辽宁 大连 116023；2.北京宇航系统工程研究所，北京 100076）

目的研究艇载发射筒保护盖在深水压力和温度载荷下的力学性能。方法建立保护盖力学载荷和温度载荷模型，采用有限元技术仿真计算保护盖在这些载荷下的形变、应力、温度分布和热结构情况。结果深水压力载荷作用下，保护盖出现的形变大小在0.977~1.47 cm范围内，应力大小在1.22~7.91 MPa范围内。温度载荷下出现的形变大小在0.92~1.38 cm范围内，应力大小在0.272~1.26 MPa范围内。结论两种工况下保护盖最大形变均出现在中部，因此这个部位结构强度需加强，以防其被破坏。

发射筒；潜艇；保护盖

某潜艇发射筒保护盖由非金属材料制成，可以对发射筒内的雷弹起到保护作用。潜艇在水下执行巡航任务时，水深产生的压力会对保护盖结构产生静压影响；在水面上时，筒内外温度差会对保护盖的结构产生影响[1]。为了研究这些载荷对非金属保护盖的影响，文中建立了温度变化模型和热结构模型，采用有限元技术计算了保护盖在这些载荷下的应力、变形和温度分布情况。

1 保护盖模型

保护盖为圆柱形壳体，整体制造，用夹紧环夹紧保护盖下端面法兰，固定在发射筒上，且法兰上下端面有密封圈以保证发射筒的气、水密。图1为保护盖的三维模型和有限元模型，使用IsoMesh划分器，划分为Quad4型单元。这样划分的原因是便于控制网格疏密，共划分了25 994个单元[2]。

图1 保护盖的及其有限元模型

保护盖为非金属材料，其性能参数：密度为1730 kg/m3，泊松比为0.495，弹性模量为290 MPa，导热系数为0.57 W/(m·K)，热膨胀系数为3.2×10－6K－1。

2 保护盖内外压差对保护盖的影响

为了满足装载在发射筒内的雷弹贮存需要，发射筒内充有一定压力的气体，发射筒位于水下时，水深会在发射筒保护盖内外产生一定的压差，若保护盖承压能力差，则压差有可能使保护盖失稳或破坏保护盖，使水进入发射筒，进而使雷弹失效[3]。

2.1 保护盖稳定性分析模型

在有限元方法中，线形稳定性理论通过提取使线性系统刚度矩阵奇异的特征值来获得结构的失稳载荷，即失稳模态。线性稳定性分析的特点是变形为小变形，单元应力必须是弹性的，载荷引起的内部单元力分布是不变的[4]。离散后有限元模型的屈曲分析控制方程为：

式中：为刚度矩阵；d为刚度微分矩阵；为特征值；为特征向量。

这个方程可简化为一种标准形式求解。采用Lanczos 法对其实特征值求解，将式（1）改写为[5—6]：

选择初始迭代矢量：

(3)

依次取= 1，2，3，…，直到出现收敛的迭代根，迭代函数为：

其中：

(5)

将α，β合并为一个变换矩阵，如式（6）：

设为特征方程=的特征值根，则式（2）的特征值为：

(7)

因此为使线性系统刚度矩阵奇异的特征值，即为所求保护盖的的临界压力[7]。

2.2 保护盖静力分析模型

对于结构材料，可以由Kirchoff应力张量t和Green应变张量γ来描述其应力应变状态，它们满足以下关系式：

式中：1，2，3为变形张量不变量；为应变能密度函数[6]。根据计算所用C/C材料模型，可以推导出其主应力1和主伸长比1之间的关系为[8]：

(9)

2.3 仿真计算及结果分析

计算了发射筒在水下时，保护盖在水静压下的受力情况，得到了形变和应力，如图2所示。

图2 保护盖在水压载荷下的形变与应力

从计算结果来看，在深水静压的作用下，保护盖出现了较大的形变和应力，形变大小在0.977~1.47 cm范围内，形变最大的地方在保护盖几何中心。应力大小在1.22~7.91 MPa范围内，应力最大的地方在保护盖中部和边缘位置，在边缘位置出现了应力集中现象。

3 温度对保护盖的影响

3.1 热结构分析模型

当结构的内部存在温度梯度的时候，温度的变化必然会导致结构产生膨胀或者收缩的现象。当结构的外部存在某些约束的时候，这些变形必然会受到抑制，此时结构内部就会存在某种应力来抵抗这些变形，这种由于结构的温度场引起的应力叫做热应力[9]。

当结构的内部存在热应力时，结构的总应力分为两部分：结构机械应力以及热应力[10]。由于结构的小变形假设，因此满足线性叠加原理，那么此时结构的应力可以表示为[11]：

对于结构的应变可以写成：

(11)

式中：σ为结构的应力分量；ε为结构的应变分量；c为结构的刚度系数；s为结构的柔度系数；β为结构的热模量；α为结构的热膨胀系数[12]。

3.2 仿真计算及结果分析

潜艇在巡航时，在某些海域发射筒保护盖外表面受到阳光照射而有较高的温度，保护盖内表面则由于雷弹贮存温度需要而保持一定的温度。这样会在保护盖外表面产生温度差，计算得到了保护盖的温度分布和温度梯度分布，如图3所示。

从计算结果来看，在保护盖下圆弧处，温度变化较大，因而出现了较大的温度梯度。保护盖在温度载荷作用下，会出现变形，计算得到了保护盖在温度载荷下的形变和应力，如图4所示。

图3 保护盖温度与温度梯度

从计算结果来看，保护盖在温度载荷下出现了较大的形变，形变大小在0.92~1.38 cm范围内，形变最大的地方在保护盖几何中心。应力大小在2.72 kPa~1.26 MPa范围内，应力最大的地方在保护盖根部位置，在根部位置出现了应力集中现象。

4 结论

1）深水静压载荷作用下，保护盖出现了较大的形变和应力，形变大小在0.977~1.47 cm范围内，形变最大的地方在保护盖几何中心。应力大小在1.22~7.91 MPa范围内，应力最大的地方在保护盖中部和边缘位置，在边缘位置出现了应力集中现象。

2）太阳直射时，保护盖内外温差较大。在保护盖下圆弧处，温度变化较大，因而出现了较大的温度梯度。

3）保护盖在温度载荷下出现了较大的形变，形变大小在0.92~1.38 cm范围内，形变最大的地方在保护盖几何中心。应力大小在272 kPa~1.26 MPa范围内，应力最大的地方在保护盖根部位置，在根部位置出现了应力集中现象。

4）水压和温度载荷作用下，保护盖最大形变均在保护盖中部，因此这个部位需加强，以防其被破坏。

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Mechanical Property of Submarine Launch Canister Protection Cover

JIAO Ji-guang1, YANG Chun2, LIU Wen-yi2

(1.Unit 91of PLA 91550, Dalian 116023, China；2.Beijing Institute of Astronautical System Engineering, Beijing 100076, China)

Objective To study mechanical properties of submarine launch canister protection cover under deepwater pressure and temperature load. Methods Model for mechanical and temperature load of protection cover was established. Finite-element method was used to analyze the stress, deformation, temperature distribution and thermal structure under those loads. Results Under deep water pressure, the deformation was 0.977 cm to 1.47 cm, the stress was 1.22 MPa ~ 7.91 MPa. Under temperature load, the deformation of the protection cover is 0.92~1.38 cm and the stress was 0.272 kPa ~ 1.26 MPa. Conclusion The maximum deformation of protection cover was on centre portion in two working conditions, so the structural strength of centre portion should be reinforced, otherwise it would be damaged.

launch canister; submarine; protection cover

10.7643/ issn.1672-9242.2017.04.018

TJ07；TG174

A

1672-9242(2017)04-0087-04

2017-01-20；

2017-02-23

焦冀光（1984—），女，湖北武汉人，主要研究方向为武器控制及优化设计。