基于CCS和GL規(guī)范的深潛器耐壓結(jié)構(gòu)計算研究

劉 偉，楊卓懿，龐永杰，陸 振

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱150001)

環(huán)肋圓柱殼作為一種耐壓結(jié)構(gòu)，在潛水器中有著廣泛的應(yīng)用，是潛水器核心設(shè)備的保護體。對于潛器耐壓結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計，通常是基于規(guī)范。目前現(xiàn)行的潛器規(guī)范中，德國GL潛器規(guī)范［1］發(fā)展歷史相對較長，其最新的潛器規(guī)范［2-3］針對載人潛水器及ROV、AUV等無人潛水器的各自特點，進行了詳細(xì)的分類，并定義了相應(yīng)的設(shè)計計算準(zhǔn)則。尤其對于耐壓結(jié)構(gòu)的制造誤差、焊接變形等方面有一套獨特的計算方法。目前我國的潛器規(guī)范［4］中對圓柱形耐壓殼的強度和穩(wěn)性計算及其衡準(zhǔn)，基本上是套用了潛艇設(shè)計計算規(guī)則中的有關(guān)部分［5］。潛水器與潛艇雖然結(jié)構(gòu)相似，但也有許多不同點。建造潛水器的材料一般是采用具有高比強度高比剛度的金屬或非金屬材料，采用這些高強度材料可使?jié)撍骶哂休^深的工作深度，并能有較大的有效負(fù)荷［6］。通過對兩國規(guī)范相應(yīng)的強度和穩(wěn)性特征量計算和校核方法對比，可為我國潛器規(guī)范的更新完善提供相應(yīng)的借鑒。

1 表征強度和穩(wěn)性的特征量計算方法

在CCS潛器規(guī)范和德國GL潛器規(guī)范中，承受外壓的環(huán)肋圓柱殼需要計算的強度和穩(wěn)性特征量主要包括殼板強度、肋骨強度、殼板穩(wěn)性、艙段總體穩(wěn)性。

1.1 CCS潛器規(guī)范設(shè)計計算方法

1.1.1 安全系數(shù)把計算深度與工作深度之比稱作安全系數(shù)，計算壓力取為最大許用工作壓力的1.5倍。

1.1.2 殼板強度

圓柱形殼體的殼板應(yīng)力應(yīng)檢驗跨度中點處殼板縱剖面上的中面周向平均應(yīng)力σ1和支座邊界處殼板橫剖面上內(nèi)表面應(yīng)力σ2。見式(1)、(2)。

式中:pj——計算壓力;

Ro——耐壓圓柱殼體半徑;

t——殼板厚度。

所得應(yīng)力應(yīng)滿足:σ1≤0.85σs

所得應(yīng)力應(yīng)滿足:σ2≤1.15σs

1.1.3 肋骨強度

肋骨應(yīng)力，取其周向應(yīng)力來表征，按式(3)計算。

所得應(yīng)力應(yīng)滿足:σf≤0.6σs

以上式中:k1，k2，kf均為系數(shù)，可由參數(shù)u，β查規(guī)范［7］的相應(yīng)圖表決定。

式中:L——肋骨間距;

f——肋骨剖面面積。

1.1.4 殼板穩(wěn)性

式中:pe——理論臨界壓力，按照式(5)計算。

式(6)中Cs為材料非線性修正系數(shù)，根據(jù)σe/σs查規(guī)范［7］的相關(guān)圖譜確定。

所得屈曲壓力值應(yīng)滿足pcr≥pj。

1.1.5 總體穩(wěn)性

對艙段長度L之間的殼板和肋骨，應(yīng)校驗其總體穩(wěn)性，總體失穩(wěn)壓力pcr由式(8)確定。

式中:pe——理論臨界壓力，按式(9)計算。

式中:n——周向失穩(wěn)波數(shù)，應(yīng)使pe最小，Cs與上節(jié)相同，可查規(guī)范［7］的相關(guān)圖譜確定。

所得總體失穩(wěn)壓力應(yīng)滿足pcr≥1.2 pj。

1.2 德國潛器規(guī)范設(shè)計計算方法

1.2.1 安全系數(shù)

德國GL潛器規(guī)范與我國潛器規(guī)范類似，也是在明確計算壓力pj的情況下，計算得到殼板和肋骨的各種應(yīng)力。但德國潛器規(guī)范對于計算壓力定義了三種不同的工況:名義下潛壓力pNDP，測試下潛壓力pTDP和極限下潛壓力pCDP，針對這三種不同工況需要進行各自的計算和強度以及穩(wěn)性校核。名義下潛壓力pTDP=0.101(105Pa/m)×下潛深度H(m)。同時，德國潛水器針對載人和無人潛水器的不同特點，設(shè)置了相應(yīng)的安全系數(shù)，其安全系數(shù)隨深度變化見表1和表2。

表1 載人潛水器安全系數(shù)與深度關(guān)系

表2 無人潛水器安全系數(shù)與深度關(guān)系

1.2.2 殼板強度

跨中處殼板強度由式(10)和式(11)確定。

式中:σo——非環(huán)肋圓柱殼周向應(yīng)力;

σbx，M——肋骨間縱向彎曲應(yīng)力;

σmx———縱向薄膜應(yīng)力;

s——殼板厚度;

Rm——耐壓圓柱殼的平均半徑;

ν——泊松比;

WM——肋骨中點徑向位移;

L——肋骨間距;

sw——肋骨寬度。

參數(shù)Aeff，F(xiàn)2，F(xiàn)4的計算方法，由GL規(guī)范有關(guān)算式計算，此處不一一列出。

在跨端處殼板強度按照式(12)和式(13)確定。

所得的應(yīng)力應(yīng)滿足

式中:σbx，F(xiàn)——肋骨處周向應(yīng)力;

WF—肋骨處徑向位移;

σmφ，F(xiàn)——肋骨處縱向彎曲應(yīng)力;

Rm，20°——室溫為20℃時的最小抗拉強度;

ReH，t——設(shè)計溫度下材料的屈服極限或材料應(yīng)變?yōu)?.2%時對應(yīng)的應(yīng)力;

A、B的取值見規(guī)范［7］;

σx，σφ——軸向和周向應(yīng)力;正負(fù)號表示殼體的外內(nèi)表面;

F3——參數(shù)。

1.2.3 肋骨強度

周向應(yīng)力為

彎曲應(yīng)力為

式中Wel按式(16)計算，e等參數(shù)計算方法，此處不一一列出。

式中:wo——肋骨圓度誤差;p——極限下潛壓力。

png按式(22)確定。文獻(xiàn)［2］給出Rf、RD。

1.2.4 殼板穩(wěn)性

理論彈性屈服壓力按照式(17)計算。

理論彈塑性屈服壓力按照式(18)計算。

式中切線模量Et和割線模量Es可由式(19)和式(20)得出。

理論彈塑性屈服壓力picr乘以r應(yīng)大于計算壓力pj，其中折減系數(shù)r按式(21)計算。

1.2.5 總體穩(wěn)性

式中PF和PB按式(23)和式(25)計算。

式中:RC，D——到肋骨型心的半徑;

IF——肋骨附連帶板的慣性距。

帶板長度Leff由式(24)計算。

式中:n——周向失穩(wěn)半波數(shù)，其它參數(shù)的定義和計算方法可見規(guī)范［2］。

所得到的屈曲壓力應(yīng)滿足于png＞1.07Pj。

2 規(guī)范計算及校核方法的對比分析

為了更直觀地體現(xiàn)兩國規(guī)范的差異，下面給出算例，同時應(yīng)用有限元軟件對相應(yīng)強度特征量進行計算，與規(guī)范中相應(yīng)計算結(jié)果，進行逐一的對比(見表3)，并對造成的差異進行分析。

表3 兩種計算結(jié)果的比較

該潛器圓柱形耐壓艇體及下潛深度等參數(shù)為:圓柱殼長L=9.2 m，圓柱殼半徑R=875 mm，殼板名義厚度t0=24 mm，肋骨采用球緣扁鋼ΓNO.18a，肋骨間距為l=450 mm，鋼材屈服極限為σs=800 MPa，鋼材彈性模數(shù)E=2.06×105MPa。潛器工作深度為h=1 000 m，安全系數(shù)統(tǒng)一取為CCS規(guī)范值1.5，故計算壓力pj=15 MPa。

通過表2可以看出，兩國規(guī)范對于強度和穩(wěn)性特征量的計算大體相同，但具體的數(shù)值和校核方法存在差異。

1)兩國規(guī)范都是在明確計算壓力pj的前提下，計算得到殼板和肋骨的相應(yīng)應(yīng)力，我國規(guī)范考慮了縱向力對殼彎曲的影響即梁柱效應(yīng)，而GL規(guī)范則沒有體現(xiàn)。

2)兩國規(guī)范對于相應(yīng)強度特征量的計算較為一致。但在強度的衡準(zhǔn)上，GL規(guī)范是對于等效應(yīng)力進行校核，同時考慮了耐壓殼體內(nèi)外表面應(yīng)力的不同，而CCS規(guī)范考慮的是應(yīng)力最大的那個表面。在校核安全系數(shù)方面，CCS規(guī)范對不同的強度特征量的要求不同。

3)在肋骨應(yīng)力的考慮上兩國規(guī)范有較大差異。德國GL規(guī)范對于內(nèi)外肋骨布置形式和偏心距有所考慮，我國這方面沒有做任何處理。這樣無論內(nèi)外肋骨，無論腹板高低，只要橫剖面積一樣，其計算結(jié)果就相同。這顯然是不合理的，此外，我國規(guī)范在肋骨強度校核準(zhǔn)則中認(rèn)為，肋骨平均應(yīng)力中包含了肋骨周向應(yīng)力和附加彎曲應(yīng)力兩項，但是在計算中，僅用肋骨的周向應(yīng)力表示了肋骨平均應(yīng)力，對于初始缺陷造成的附加彎曲應(yīng)力，沒有考慮，致使計算結(jié)果較GL規(guī)范和有限元計算偏小。德國GL規(guī)范對于制造誤差有相應(yīng)的計算公式和測量方法，在計算中將肋骨應(yīng)力細(xì)分成兩部分考慮(壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力)，彎曲應(yīng)力占到了肋骨應(yīng)力的25.8%，比重較大，并通過兩者的絕對值和來校核結(jié)構(gòu)強度。

4)兩國規(guī)范在殼板穩(wěn)性的計算上和安全衡準(zhǔn)方法上差別較大，CCS規(guī)范經(jīng)過幾何非線性和物理非線性修正使得許用應(yīng)力較低。但對于大深度潛水器因其耐壓殼材料采用高強度材料，耐壓殼半徑厚度比值小，耐壓殼破壞壓力的計算不能完全套用潛艇規(guī)范的修正系數(shù)。德國GL規(guī)范計及了材料彈性模量與應(yīng)力之間的非線性關(guān)系，通過應(yīng)力與材料比例極限大小的判斷，在耐壓殼彈性屈曲公式中引入非彈性段的材料切線模量Et和割線模量Es，從而考慮了材料非線性影響，因此算例中德國規(guī)范得到的應(yīng)力未達(dá)到材料的比例極限，仍屬于彈性范圍。與CCS規(guī)范差別較大。在校核時德國GL規(guī)范并未區(qū)分幾何非線性和物理非線性，而是計算得到的理論彈塑形臨界壓力乘以折減系數(shù)r大于計算壓力即可。

5)在總體穩(wěn)定性的計算上，兩國規(guī)范基本上是一致的。理論臨界壓力的計算上，GL規(guī)范比我國規(guī)范偏高10.7%，主要是由于附連帶板的取值引起的偏差，可以看出，我國規(guī)范取一檔肋距為附連帶板寬是偏危險的，而GL規(guī)范在半徑的選取上考慮更全面。修正系數(shù)的選擇上，GL規(guī)范是直接取為1.07，并把得到的結(jié)果就作為最大的允許工作壓力，而CCS規(guī)范是經(jīng)過兩次修正之后的結(jié)果。CCS規(guī)范對總體穩(wěn)定性的修正和校核準(zhǔn)則較嚴(yán)格，使極限工作壓力反而比GL規(guī)范小。

3 結(jié)論

1)德國潛器規(guī)范針對潛器的自身特點，對于不同下潛深度和工況定義了相應(yīng)的安全系數(shù)和計算校核方法，計算非常全面細(xì)致，值得借鑒。

2)GL規(guī)范對于肋骨不圓度定義了相應(yīng)的測量和計算方法，同時在肋骨校核中考慮了側(cè)傾和焊接變形的影響，可為潛器設(shè)計提供借鑒。

3)深潛器更多采用復(fù)合材料，以提高材料利用率和降低重量，因此穩(wěn)性問題更加突出。GL規(guī)范在殼板穩(wěn)性校核中綜合考慮幾何非線性和物理非線性的影響，較為科學(xué)合理的。

4)歐美潛器規(guī)范和相應(yīng)設(shè)計準(zhǔn)則的分析方法能更好地適用于新材料，能夠科學(xué)地體現(xiàn)大深度潛水器結(jié)構(gòu)形式的特點。

［1］GERMANISCHER LLOYD.Calculation and Pressure Hulls under External Pressure［S］.Hamburg，Germanischer Lloyd AktiengeseUschaft，1998.

［2］GERMANISEHER LLOYD.Rules for classification and construction，l-Ship technology，5-Underwater technology，1-Diving Systems and Diving Simulators［S］.Hamburg，Germanischer Lloyd AktiengeseUschaft，2009.

［3］GERMANISEHER LLOYD.Rules for classification and construction，l-Ship technology，5-Underwater technology，3-Unmanned submersibles［S］.Hamburg，Germanischer Lloyd AktiengeseUschaft，2009.

［4］中國船級社.潛水系統(tǒng)和潛水器入級與建造規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，1996.

［5］中華人民共和國軍用標(biāo)準(zhǔn).潛艇結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法［S］.北京:國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會，2001.

［6］劉 濤.大深度潛水器耐壓殼體彈塑形穩(wěn)定性簡易計算方法［J］.中國造船，2001，42(3):8-14.

［7］GERMANISEHER LLOYD.Rules for classification and construction，l-Ship technology，5-Underwater technology，2-manned Submersibles［S］.Hamburg，Germanischer Lloyd AktiengeseUschaft，2009.