長艙段耐壓結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

(海軍駐武漢719所軍事代表室，武漢 430064)

隨著大型設(shè)備進(jìn)入艙室，環(huán)肋圓柱殼艙段尺度有不斷增加的趨勢[1-2]。相比于一般的環(huán)肋圓柱殼，長艙段環(huán)肋圓柱殼長度與半徑之比明顯大于一般的環(huán)肋圓柱殼[3]，使得艙段的穩(wěn)定性問題突出。通過設(shè)置框架肋骨可在一定程度上改善長艙段的力學(xué)性能。長艙段是一種特殊的環(huán)肋圓柱殼，主要應(yīng)用于較大深度的水下環(huán)境，其結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的計(jì)算方法可以參考普通環(huán)肋圓柱殼。然而長艙段與普通環(huán)肋圓柱殼結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同，所受外部壓力亦有較大的增加，造成普通環(huán)肋圓柱殼結(jié)構(gòu)力學(xué)特性計(jì)算方法不完全適用于長艙段耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。尤其是對于設(shè)計(jì)單位而言，若依然采用現(xiàn)行規(guī)范[4]對長艙段進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則不合適。為此，從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角度出發(fā)，對國內(nèi)外長艙段結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)分析，并對長艙段結(jié)構(gòu)有待研究的問題進(jìn)行概括。

1 強(qiáng)度研究進(jìn)展

長艙段耐壓結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度研究，重點(diǎn)在于框架肋骨及其附近區(qū)域應(yīng)力水平的計(jì)算方法研究。長艙段所受外部壓力以及結(jié)構(gòu)參數(shù)均與普通環(huán)肋圓柱殼不同。較大的外部壓力對長艙段的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了更高的要求，同時(shí)肋骨尺寸及其布置方式的變化，使得普通環(huán)肋圓柱殼的應(yīng)力計(jì)算方法不再完全適用于長艙段結(jié)構(gòu)。

對于耐壓結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平的計(jì)算，部分學(xué)者[3]提出采用加強(qiáng)棱柱殼體法，推導(dǎo)環(huán)肋圓柱殼靜力微分方程，通過傅里葉展開，求得環(huán)肋圓柱殼的位移解，進(jìn)而得到其應(yīng)力解。通過該方法，可以得到環(huán)肋圓柱殼任何位置的應(yīng)力值。但該方法的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果普遍偏大，在最危險(xiǎn)的位置應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果較為接近，可作為輔助校核。

朱邦俊等[5]從彈性力學(xué)角度出發(fā)，建立了一個(gè)較為精確的力學(xué)模型，提出潛艇橫向剛性構(gòu)架區(qū)域應(yīng)力計(jì)算解析方法，對框架肋骨應(yīng)力進(jìn)行理論求解。該方法考慮了內(nèi)、外框架肋骨和結(jié)點(diǎn)區(qū)域嵌入厚板, 以及厚、薄板連接處由于中曲面不一致而引起的附加力矩和鄰近普通肋骨對框架肋骨縱向彎曲的影響；并指出內(nèi)框架肋骨根部殼板內(nèi)表面縱向應(yīng)力明顯大于相應(yīng)的外框架肋骨；框架肋骨臨近的普通肋骨對框架肋骨處的縱彎有一定的影響。但通過該方法得到的應(yīng)力計(jì)算公式較為復(fù)雜，不便于工程人員直接使用。

鄒廣[6]等依據(jù)薄殼理論分析環(huán)肋圓柱殼的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范等計(jì)算方法，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)以及幾何參數(shù)對應(yīng)力的影響，同時(shí)分析了中間參數(shù)的物理意義，其結(jié)果可供長艙段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考。

2 穩(wěn)定性研究進(jìn)展

隨著艙段長度的增大，艙壁對于艙段穩(wěn)定性的有利影響將逐漸減小，艙段總體穩(wěn)定性有待提高，框架肋骨的設(shè)置有助于提高長艙段的穩(wěn)定性。隨著長艙段下潛深度的增大，現(xiàn)行計(jì)算方法[7]計(jì)算得到的艙段失穩(wěn)壓力不再完全符合試驗(yàn)結(jié)論[8]。尤其是對于環(huán)肋圓柱殼的設(shè)計(jì)，利用何種計(jì)算方法才能得到長艙段相對準(zhǔn)確而又安全的艙段總體失穩(wěn)壓力是必須要解決的問題。普通環(huán)肋圓柱殼穩(wěn)定性的分析方法對長艙段穩(wěn)定性的分析具有一定的參考價(jià)值。

框架肋骨用于提高長艙段的穩(wěn)定性最早在國外出現(xiàn)。一些學(xué)者提出框架肋骨可提高艙段總體穩(wěn)定性，并從理論與試驗(yàn)角度得到了印證，同時(shí)得到了帶有框架肋骨長艙段彈性失穩(wěn)臨界壓力的計(jì)算方法。William等學(xué)者則分析了框架肋骨對艙段彈性穩(wěn)定性的影響規(guī)律，通過改變框架肋骨尺寸、肋骨間距、殼板厚度等模型尺寸，分析艙段總體穩(wěn)定性的變化情況，尋找臨界框架肋骨的尺寸，并對框架肋骨的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了一定的建議。

國內(nèi)對于框架肋骨對長艙段穩(wěn)定性的影響也有一定的研究。宋世偉等[18]針對某一典型長艙段環(huán)肋圓柱殼，分別進(jìn)行了一根框架肋骨結(jié)構(gòu)優(yōu)化、兩根框架肋骨結(jié)構(gòu)優(yōu)化穩(wěn)定性校核，指出隨著艙段長度的增加，有限元計(jì)算的結(jié)果與解析結(jié)果差別逐漸增大，當(dāng)增加到一定程度后，其差距已超出了工程適用范圍。規(guī)范中環(huán)肋圓柱殼的穩(wěn)定性計(jì)算公式對于長艙段的穩(wěn)定性計(jì)算，有一定的不足之處，需要對其進(jìn)行修正，或者將有限元計(jì)算結(jié)果作為環(huán)肋圓柱殼長艙段求解的重要參考。選用不同數(shù)量的框架肋骨，會(huì)在艙段重量與艙室容積上得到不同的效果。何福志[19]等總結(jié)長艙段失穩(wěn)波形，提出周向失穩(wěn)波形為3或4，縱向失穩(wěn)波形為對稱波或反對稱波；對于長艙段總體穩(wěn)定性的計(jì)算則采用Pcr=C×Pe；框架肋骨的剛度是提高長艙段總體穩(wěn)定性的重要參數(shù)，設(shè)計(jì)合適的截面，得到合理的剛度對于提高艙段總體穩(wěn)定性具有重要意義；框架肋骨安裝位置的選擇，對于長艙段的失穩(wěn)模式也有很大的影響。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究進(jìn)展

艙段結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以在滿足一定約束條件下使得結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)。長艙段結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與普通環(huán)肋圓柱殼的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法相類似。

吳劍國[20]考慮到在環(huán)肋圓柱殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的不確定因素，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用約束非線性混合離散變量優(yōu)化方法，直接獲得離散變量的最優(yōu)解，無需作規(guī)格化處理。算例表明該方法簡便實(shí)用，結(jié)果合理。楊卓懿[21]提出用APDL語言建立參數(shù)化結(jié)構(gòu)有限元分析模型，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求選取設(shè)計(jì)變量，用試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法在設(shè)計(jì)變量空間里選取樣本點(diǎn)并進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，得到各樣本點(diǎn)的響應(yīng)。最后用這些樣本點(diǎn)和響應(yīng)建立起結(jié)構(gòu)質(zhì)量和應(yīng)力的二階多項(xiàng)式模型，并對響應(yīng)面模型采用罰函數(shù)法進(jìn)行優(yōu)化獲得最優(yōu)解，以解決有限元模型應(yīng)用于優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)效率低的問題。該方法提高了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度利用率，縮短了優(yōu)化時(shí)間。謝金鑫[22]亦采用APDL語言進(jìn)行參數(shù)化有限元建模，同時(shí)利用ISIGHT對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，效率較高。李學(xué)斌[23]等采用多目標(biāo)遺傳算法和多屬性決策理論，針對潛艇環(huán)肋圓柱殼在靜水壓力作用下的多目標(biāo)離散優(yōu)化問題進(jìn)行了研究，討論了與潛艇結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)有關(guān)的應(yīng)力和失穩(wěn)載荷與質(zhì)量之間的關(guān)系，給出了不同目標(biāo)之間的Pareto前沿?；跓o偏好信息情況下的排序挑選出最優(yōu)解，并且和經(jīng)典的單目標(biāo)最優(yōu)解進(jìn)行了比較分析，對于潛艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)性意義。

朱學(xué)康等[24]以重量及強(qiáng)度應(yīng)力為目標(biāo)函數(shù)，求出了Pareto最優(yōu)解，給出了強(qiáng)度應(yīng)力和失穩(wěn)載荷與重量之間的分布關(guān)系。采用逼近理想解的排序方法和信息熵方法，得到基于無偏好信息情況下的最優(yōu)解排序。該聯(lián)合方法能夠快速尋找到最優(yōu)解，并且這些解分布比較均勻、多樣性好，能夠?yàn)闆Q策者提供較多選擇，使得決策的最終結(jié)果合理。李學(xué)斌[25]基于分枝定界方法，研究了環(huán)肋圓柱殼靜水壓力作用下，考慮強(qiáng)度和穩(wěn)定性約束時(shí)重量最輕的混合變量優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，討論了強(qiáng)度約束和穩(wěn)定性約束以及材料、幾何參數(shù)對優(yōu)化結(jié)果的影響。該方法能夠有效求解環(huán)肋圓柱殼的混合優(yōu)化問題，計(jì)算量小，精度高；環(huán)肋圓柱殼經(jīng)優(yōu)化后，殼板的重量比例大約是70%，肋骨重量占30%，并且隨殼體的長徑比(L/R)變化不大。宋世偉等則針對現(xiàn)行規(guī)范對環(huán)肋圓柱殼結(jié)構(gòu)應(yīng)力穩(wěn)定性的要求，通過調(diào)整各應(yīng)力之間的匹配性，優(yōu)化框架肋骨結(jié)構(gòu)尺寸，進(jìn)而優(yōu)化整個(gè)艙段的結(jié)構(gòu)。通過分析得知相較于帶有兩根框架肋骨的長艙段，帶有一根框架肋骨的長艙段不僅其各應(yīng)力之間的匹配性更佳，其結(jié)構(gòu)重量方面也有一定的優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

依托于對普通環(huán)肋圓柱殼耐壓結(jié)構(gòu)的研究，長艙段耐壓結(jié)構(gòu)的研究已形成一個(gè)基本的體系，但仍有一些問題需解決。

1)長艙段耐壓結(jié)構(gòu)應(yīng)力的理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值之間仍存在一定的誤差，使得理論分析仍存在一定的不可信度。

2)長艙段結(jié)構(gòu)的極限承載能力的影響因素還未明確，研究還不夠充分。

3)初始缺陷對長艙段力學(xué)性能的影響規(guī)律以及預(yù)防手段需得到進(jìn)一步研究。

4)長艙段結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，需將大型肋骨的數(shù)量、位置以及結(jié)構(gòu)形式等因素考慮在內(nèi)。

長艙段結(jié)構(gòu)的研究基礎(chǔ)比較成熟，但仍需理論創(chuàng)新以滿足工程上對理論計(jì)算結(jié)果的精度要求。而且大量的模型試驗(yàn)有待進(jìn)行，以完善理論的不足。同時(shí)，有限元法等數(shù)值分析方法可用于長艙段結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬，以彌補(bǔ)試驗(yàn)?zāi)芰Φ牟蛔恪?/p>

[1] 張海波，楊金城.現(xiàn)代潛艇技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2002.

[2] 謝柞水，許輯平.潛艇薄壁大半徑圓柱殼的總穩(wěn)定性[J] .中國造船，1994 (5)：82-88.

[3] 王小明，陳節(jié)貴.環(huán)肋圓柱殼應(yīng)力計(jì)算的新方法探索[J].中國艦船研究， 2010，5(5):49-53.

[4] 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).GJB/Z 21A—2001潛艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法[S].北京：國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì), 2002.

[5] 朱邦俊，萬正權(quán)，王永軍，等.潛艇橫向剛性構(gòu)架區(qū)域應(yīng)力計(jì)算解析方法[J].船舶力學(xué)，2005,9(5):105-114.

[6] 鄒 廣.環(huán)肋圓環(huán)殼強(qiáng)度與變形分析[D].北京：中國艦船研究院， 2011.

[7] 朱 錫，吳 梵.艦艇強(qiáng)度[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005.

[8] 沈永春，杜青海.大深度耐壓圓柱殼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究[C]∥第七屆船舶力學(xué)學(xué)術(shù)委員會(huì)全體會(huì)議論文集，成都：第七屆船舶力學(xué)學(xué)術(shù)委員會(huì)，2010：240-245.

[9] 曲家棣，朱福根，楊士朋，等.均勻外壓圓柱薄殼彈性穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究[J].固體力學(xué)學(xué)報(bào)，1980(8)：85-97.

[10] 陳 文，任文敏，張 維，加肋圓柱殼穩(wěn)定性計(jì)算方法若干問題探討[J]，清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1994,34(5)：16-20.

[11] 施德培，李龍淵，張曉紅.提高加肋圓柱耐壓殼總穩(wěn)定性的有效方法[J].海洋工程，1986,4(11)：29-36.

[12] 戴自昶.環(huán)肋圓柱殼總穩(wěn)定性探討[J].艦船科學(xué)技術(shù).2000(2):2-9.

[13] 王曉天，高 艷，許輯平.大型潛艇總穩(wěn)定性計(jì)算中出現(xiàn)異常特性的研究[J].中國造船.1990(3)：36-46.

[14] 中國船級社.潛水系統(tǒng)和潛水器人級與建造規(guī)范[S].北京：中國船級社，1996.

[15] 徐秉漢，朱邦俊，歐陽呂偉，等.現(xiàn)代潛艇結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的理論與試驗(yàn)[M]，北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[16] 李學(xué)斌.基于分枝定界法的環(huán)肋圓柱殼優(yōu)化研究[J]。船舶力學(xué)，2008，12(5)：793-798.

[17] WILLIAM, F. BLUMENBERG.The effect of intermediate heavy frames on the general-instability strength of ring-stiffened cylinders under external hydrostatic pressure[R].Structural Mechanics Laboratory Research and Development Report,1965.

[18] 宋世偉，張 二，吳 梵.基于Abaqus的環(huán)肋圓柱殼長艙段穩(wěn)定性分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].船海工程，2011,40(6)79-82.

[19] 何福志，馬建軍.潛艇長艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性研究[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2011,33(8)：11-15.

[20] 吳劍國，謝祚水.潛艇環(huán)肋圓柱殼結(jié)構(gòu)的模糊優(yōu)化[J].華東船舶工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1996,10(2)：9-12.

[21] 楊卓懿，龐永杰.響應(yīng)面模型在耐壓殼優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,31(6)：689-692.

[22] 謝金鑫.基于參數(shù)化有限元的潛水器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010.

[23] 李學(xué)斌，朱學(xué)康.潛艇耐壓圓柱殼的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國造船，2009,50(1)：10-18.

[24] 朱學(xué)康，李學(xué)斌，張乃梁.大深度潛器耐壓圓柱殼的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].船舶工程，2009,31(B09)：4-7,112.

[25] 李學(xué)斌.基于分枝定界法的環(huán)肋圓柱殼優(yōu)化研究[J].船舶力學(xué)，2008,12(5)：793-798.