救生艙的結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析

許佩霞，胡 勇

（1江南大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，江蘇 無(wú)錫214122；2中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú)錫214082）

1 引 言

在世界援潛救生史上，救生鐘是唯一完成與失事潛艇對(duì)接并成功救援的援潛救生裝備，也是歷史最為悠久的潛艇他救裝備。救生艙是救生鐘（或救生艇）的關(guān)鍵耐壓結(jié)構(gòu)，其重量可占系統(tǒng)總重量的50%以上。根據(jù)設(shè)計(jì)深度的不同，該結(jié)構(gòu)提供的浮力可占總系統(tǒng)的60%-80%。由此可見(jiàn)，救生艙的設(shè)計(jì)對(duì)救生鐘（艇）的戰(zhàn)技性能有極大影響。當(dāng)救援艙的浮力重量比難以有效增加時(shí)，只有通過(guò)減少救援艙的內(nèi)部尺寸并增加浮力材料來(lái)控制全系統(tǒng)的重浮力平衡。如我國(guó)最新的LR7深潛救生艇的救援艙直徑僅為1.5m。這是以犧牲人員舒適性為代價(jià)來(lái)降低系統(tǒng)重量。由此可見(jiàn)，對(duì)救生艙的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是救生鐘（艇）耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要工作之一。對(duì)于救生艙的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足工作深度要求條件下，以較輕的耐壓殼體重量獲取較大的密閉耐壓空間，即浮重力比最大化是評(píng)價(jià)耐壓結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否優(yōu)化的重要指標(biāo)。本文針對(duì)救生艙的耐壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化分析，在滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一套優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，用于尋找最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸。在此基礎(chǔ)之上，本文設(shè)計(jì)了一只救生艙結(jié)構(gòu)。對(duì)設(shè)計(jì)的救生艙進(jìn)行了耐壓試驗(yàn)考核驗(yàn)證，獲得了典型部位的應(yīng)力應(yīng)變分布。通過(guò)試驗(yàn)證明該優(yōu)化設(shè)計(jì)合理，救生艙滿足設(shè)計(jì)要求。

2 救生艙的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

對(duì)于救生鐘（艇）而言，救生艙的耐壓結(jié)構(gòu)均為環(huán)肋圓柱結(jié)構(gòu)、球形或扁球形封頭結(jié)構(gòu)、救生艙門(mén)開(kāi)口加強(qiáng)結(jié)構(gòu)等典型結(jié)構(gòu)構(gòu)成。各船級(jí)社設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)這些結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性的校核有明確規(guī)定[1-2]。各規(guī)定值全部滿足規(guī)范要求且同時(shí)接近規(guī)范可認(rèn)為是最優(yōu)承載結(jié)構(gòu)尺寸。該結(jié)構(gòu)尺寸下的救生艙浮重比最大。但是，最優(yōu)承載結(jié)構(gòu)尺寸并非最佳設(shè)計(jì)尺寸。在最優(yōu)承載結(jié)構(gòu)尺寸的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮全系統(tǒng)總布置要求、施工工藝要求、原材料進(jìn)貨要求等因素，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次優(yōu)化，得到最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

2.1 環(huán)肋圓柱殼體的優(yōu)化設(shè)計(jì)

受外壓的環(huán)肋圓柱殼的主要破壞形式有以下三種：

（1）強(qiáng)度破壞；

（2）筋間殼板失穩(wěn)破壞；

（3）總體失穩(wěn)破壞。

三種破壞形式的極限破壞壓力通常是不一樣的。當(dāng)三種破壞形式的極限壓力比較接近時(shí)，可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)的效率最高。

參考潛艇及潛水器規(guī)范要求，超大潛深救生鐘的環(huán)肋圓柱殼結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下約束條件：殼板跨中中面周向應(yīng)力

殼板跨端內(nèi)表面縱向應(yīng)力

肋骨應(yīng)力

筋間殼板屈曲壓力

總體屈曲壓力

環(huán)肋圓柱殼的優(yōu)化設(shè)計(jì)以滿足主尺度條件下殼體最輕為目標(biāo)函數(shù)。以潛艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法中規(guī)定的最小應(yīng)力要求和最小穩(wěn)定性要求為約束條件，即在滿足（1）～（5）式的條件下重量最輕。

環(huán)肋圓柱殼的半徑R，總長(zhǎng)L為已知量。殼板的厚度t，肋骨間距l(xiāng)，加強(qiáng)筋的剖面面積F和加強(qiáng)筋的慣性矩I為四個(gè)未知變量。在這四個(gè)未知變量中，加強(qiáng)筋的剖面面積F和慣性矩I不是相互獨(dú)立的變量。如果采用球扁鋼作為加強(qiáng)筋，其剖面面積和慣性矩依型號(hào)而定。因此，在不同球扁鋼型號(hào)下，可把F和I視為定值，這樣只有t和l兩個(gè)獨(dú)立變量確定結(jié)構(gòu)的幾何尺寸。在滿足（1）～（5）式的條件下，耐壓殼體相對(duì)比重最小的幾何尺寸定為最優(yōu)方案。

因此，分別取不同型號(hào)球扁鋼為加強(qiáng)筋，以t和l為獨(dú)立變量，同時(shí)滿足以下不等式組：

上面不等式組中，K、K1、K2和Cs均是與參數(shù)u、β相關(guān)，可查圖譜而定。為了便于程序計(jì)算，將圖譜回歸成二元二次多項(xiàng)式，具體回歸辦法如下：

（1）利用系數(shù)的數(shù)值表結(jié)果，首先利用最小二乘法原理回歸出fu=u0（β）；

（2）計(jì)算出β相對(duì)于u0的影響系數(shù)。

利用兩元非線性回歸分析可得到如下的計(jì)算公式：

其中：

2.2 扁球封頭優(yōu)化設(shè)計(jì)

救生艙的上下封頭為受外壓扁球封頭。根據(jù)規(guī)范要求，需滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性?xún)身?xiàng)要求，即：

Cs、Cz和 C 回歸結(jié)果如下：

（11）式可將（12）～（14）式代入后進(jìn)行迭代計(jì)算，尋找最優(yōu)化厚度。

2.3 開(kāi)孔加強(qiáng)設(shè)計(jì)

艙口蓋開(kāi)口加強(qiáng)通常有兩種方法，一種方法是采用法蘭加強(qiáng)形式，一種是采用圍欄加強(qiáng)形式。對(duì)圍欄加強(qiáng)時(shí)，可采用變截面圍欄。對(duì)于本結(jié)構(gòu)采用圍欄加強(qiáng)更加有利，原因是法蘭下封頭的殼體厚度較薄，與法蘭連接過(guò)渡區(qū)域較大，圍欄加強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式更加簡(jiǎn)單。

采用圍欄加強(qiáng)時(shí)，開(kāi)口加強(qiáng)的面積為：

其中t0為殼板厚度，若圍欄厚度為t1，則有效高度為：

圍壁所需厚度為t2：

有效寬度：

殼體有效加強(qiáng)面積為三部分之和：

要求:

即f （t1）≥A/2，可滿意設(shè)計(jì)。

本文編織程序，采用搜索法獲取最小t1。

2.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)算例

表1 基本設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 The basic design parameters

通過(guò)程序計(jì)算，環(huán)肋圓柱體的第一次優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 第一優(yōu)化計(jì)算結(jié)果Tab.2 First optimum results

從表2可以看到，各應(yīng)力、失穩(wěn)壓力均接近規(guī)范規(guī)定許用值，浮重比達(dá)7.5。該計(jì)算結(jié)果可認(rèn)為是最優(yōu)承載結(jié)構(gòu)尺寸。根據(jù)工程設(shè)計(jì)中總體布置的需要，肋骨間距實(shí)際取值為420 mm，在此基礎(chǔ)上，可做第二次優(yōu)化計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 第二優(yōu)化計(jì)算結(jié)果Tab.3 Second optimum results

從表3看到，受肋骨間距非最優(yōu)化的影響，各應(yīng)力比最優(yōu)值顯著降低，失穩(wěn)壓力和總重量增加，浮重比降至5.96。本結(jié)構(gòu)最終工程取值為殼板厚度10 mm。肋骨選用面板6×30 mm，腹板5×250的T型材代替。其浮重比為4.98。

程序計(jì)算得到的出入艙口開(kāi)口圍欄最優(yōu)尺寸為：

有效高度h＝167 mm

實(shí)際取值為 t1＝24 mm，h＝175 mm。

根據(jù)程序計(jì)算結(jié)果，上封頭和下封頭的最優(yōu)厚度為16.1 mm，實(shí)際取值為18 mm。

3 試驗(yàn)分析

圖1 艙口蓋開(kāi)口圍欄貼片圖Fig.1 Strain gauge distribution near hatch enclosure

圖2 封頭和環(huán)肋圓柱殼體體貼片圖Fig.2 Strain gauge distribution of ring-strengthen shell and spherical envelop

通過(guò)以上設(shè)計(jì)確定的結(jié)構(gòu)尺寸，進(jìn)行了救生艙建造。在壓力筒內(nèi)對(duì)實(shí)物進(jìn)行了耐壓試壓。耐壓試驗(yàn)的最高壓力為工作深度的1.25倍，即2.5 MPa。圖1是出入艙口圍欄應(yīng)變片分布圖。圖2是封頭和環(huán)肋圓柱殼應(yīng)變片分布圖。圖3是環(huán)肋圓柱殼體典型應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)變隨壓力變化曲線。表4是對(duì)典型應(yīng)力程序計(jì)算結(jié)果和試壓結(jié)果的比較。比較結(jié)果表明，試驗(yàn)與程序計(jì)算比較接近。從該表中也可以看出，試驗(yàn)和計(jì)算應(yīng)力均遠(yuǎn)低于許用值。這是由于受總體布置等因素的約束，實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸的浮重比為4.98，遠(yuǎn)低于最佳承載結(jié)構(gòu)尺寸浮重比7.5。

圖3 典型應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)變—試驗(yàn)壓力曲線Fig.3 Strain-test pressure for typical stress locations

表4 試驗(yàn)應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力的比較Tab.3 Comparison between calculation results and test results

4 結(jié) 論

本文針對(duì)救生艙的耐壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化分析，在滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一套優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，用于尋找最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸。在此基礎(chǔ)之上，本文設(shè)計(jì)了一只救生艙結(jié)構(gòu)。對(duì)設(shè)計(jì)的救生艙進(jìn)行了耐壓試驗(yàn)考核驗(yàn)證，獲得了典型部位的應(yīng)力應(yīng)變分布。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較分析。通過(guò)以上分析證明該優(yōu)化設(shè)計(jì)合理，救生艙滿足設(shè)計(jì)要求。

[1]中國(guó)船級(jí)社.潛水系統(tǒng)和潛水器入級(jí)與建造規(guī)范[M].北京:人民交通出版社,1996.

[2]ABS.Underwater vehicles,systems and hyperbaric facilites[S].2010.

[3]胡 勇,崔維成.筋對(duì)環(huán)肋圓柱殼的殼板屈曲強(qiáng)度影響分析[C].全國(guó)船舶力學(xué)會(huì)議,浙江舟山,2005:179-188.