潜艇设计结构强度问题!下潜深度由目前300增到500 甚至1000米 – 铁血网

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除了采用隐身技术,提高潜艇隐蔽性的另一个途径就是增大下潜深度,由目前的300米增加到500米甚至1000米。潜艇加大下潜深度使其具有更广阔的活动空间,有利于隐蔽自己,打击敌人,对提高潜艇的战斗力和生命力有着十分重要的意义。因而,它受到各潜艇发达国家的高度重视。

加大下潜深度技术一般包括如下三个方面的具体内容:

(1)大深度艇壳材料技术;

(2)大深度艇壳结构型式设计技术;

(3)大深度条件下相关系统的设计技术。

潜艇在水下活动,壳体要承受海水的巨大压力,潜得越深,压力越大,材料至关重要。为保证潜艇的安全,壳体材料在强度、韧性、塑性、耐疲劳性能、耐海水腐蚀性、可焊性、工艺性等方面有较高的要求。传统的壳体材料为高强度钢,近年来随潜艇下潜深度的加大,除继续提高高强度钢材的性能外,又出现了不少新的壳体材料,如低磁钢、铝合金、钛合金、以及各种各样的复合材料,为潜艇加大下潜深度提供了新的选择。有关大深度艇壳材料方面的研究进展,读者可参阅文献[1,2]中的相关章节。加大下潜深度除选用新的材料外,另一个途径就是对艇壳结构型式进行优化设计,充分发挥所选材料的潜力。长期以来潜艇的发展主要形成了单壳体和双壳体

两种结构型式。二战以后西方潜艇主要采用单壳体而苏联则坚持采用双壳体。两种结构型式的优缺点如表1所示。

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不论采用何种材料和结构型式,潜艇设计是否可行的一个最重要要求是其必须具备合理的强度安全储备。这就需要有可靠的理论分析手段,这是大深度潜艇设计中的一项极为关键的技术,因而广受研究人员的重视。

英国防务研究局(DRA)的Graham博士应用解析方法,特别是非线性有限元法讨论了潜艇和潜水器耐压壳体设计中的一些主要问题[105]。

不论是单壳体还是双壳体结构,绝大部分艇体承压部分均为圆柱形加封头的薄壁壳体。赫刚和曾广武[106]介绍了几种典型的环形加筋的壳体形状以及壳板的强度、屈曲和可靠性分析方法。对于结构形状相对较为复杂的潜艇耐压壳体,要想用解析方法推导一些显式表达式预报它的各种强度问题是很困难的[107],因此,非线性有限元是目前最常用的理论手段。Park and Yim[108]介绍了一种非线性、弹塑大变形的有限元分析法则,它可以预测承受轴向及圆周压力的环加强圆柱体的破坏载荷。Pegg[109,110]用非线性有限元的手段研究了在轴对称潜艇耐压壳上一些次要结构如甲板、液舵、开口等对于估算其总体失效载荷的影响。

众所周知,由于焊接引起的初始不圆度对耐压壳体的破坏载荷有重要影响,因而在强度分析中应加以考虑。文献[111]介绍了三种测量和计算潜艇耐压船体不圆度的方法,在Bosman采用的非线性有限元分析中[112],考虑了不圆度、次要结构和残余应力的影响。文献[113,114]将有限元分析的结果与试验结果作了对比,总体上来说,两者吻合良好。潜艇耐压壳通常采用环肋加强的形式,对于这种结构,如果肋骨形式选择不当,有可能发生/侧倾屈曲0(tripping)。文献[115]对这一问题进行了专题研究。针对1991年公布的一个耐压壳体的设计指导性文件,Trouwborst[116]用一些试验结果进行了校对计算,并给出了一些结论性意见。过去的潜艇结构设计规则都是确定性的,对一些客观存在的不确定性只能作很粗略的处理。为了使潜艇结构的设计更趋合理,很多人建议用可靠性的方法来更新规则[117-120]。潜艇是作战舰艇,因此,它必须具备较强的抗水下爆炸的能力。如何建立合理的抗水下冲击的标准[121],可靠的水下爆炸载荷作用下的结构响应计算方法[112-126]也是一个研究的重点。由于潜艇的载荷来自于流体,流体载荷引起的结构变形反过来又影响流场,从而影响载荷。因此,更加合理的分析方法应该考虑流固耦合的影响[127]。疲劳也是潜艇耐压壳体的一种潜在破坏方式。随着钢材屈服强度的不断提高,设计应力水平也逐渐提高。而大量的试验已表明,钢材的疲劳强度并不随屈服强度的提高而提高,因此,对于疲劳强度的研究也就变得越来越重要。文献[128]介绍了潜艇耐压壳体的疲劳强度校核方法,包括疲劳载荷计算,残余应力以及残余应力与使用应力之间的相互作用。文献[129]专门介绍了潜艇和深潜器耐压壳体结构开口周围的应力集中的计算方法。文献[130]研究了颤振载荷对疲劳传播率的影响。结构强度研究的一个重要目的是提高潜艇的生命力, Krapivin着重阐述了事故出现的可能性,包括几个破坏性因素同时影响产生复杂效应等情况,研究了在整个设计阶段应采取的提高生命力的方法[131]。上面提到的主要是传统的圆柱加筋壳结构型式。为了改善承压结构,加大下潜深度, 70年代意大利的桑蒂先生提出了环形壳体的构想,即将油田用的HY80钢弯成圆环,再把各个圆环纵向焊接在一起,构成耐压壳体。这种环形壳体异常坚固,下潜深度是同重量圆柱壳体的6倍。这种结构型式也值得进一步研究[1]。


本文内容于 2014/1/11 14:13:32 被黃雲東编辑

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