黄加强，荆腾

(1.海装驻武汉军代表局某部,武汉 430064；2.中国人民解放军91278部队,辽宁 大连 116041)

潜艇耐压船体在设计过程中，需在潜艇的凸型加肋锥-环-锥结合壳的环壳过渡段与非耐压壳之间布置纵向构件以用于其他填充材料的固定。其中，锥-环-锥结构源于凸型锥-环-柱结构[1-2]，是一种当潜艇耐压壳体采用2个不同锥角的加肋圆锥壳相连接时，在2圆锥壳的过渡处亦采用环壳进行过渡的结构形式，用以解决结合部位母线存在较大折角使过渡处产生很大的应力集中问题。含有纵向构件的整个舱段结构见图1，其中纵向构件一端连接在耐压壳与非耐压壳末端相交处，一端连接于在环壳上布置的一条环向构件上，环壳过渡段与非耐压壳连接处的横、纵剖面见图2。

图1 含纵向构件的潜艇锥-环-锥连接结构示意

图2 锥-环-锥结构中的纵向构件剖面示意

对于在潜艇耐压船体上布置纵向结构，以往的研究对象主要有在锥-柱结合处采用的纵筋加强结构或是在圆柱形耐压船体上布置的纵骨结构。纵筋加强结构力学行为特殊，会使结合壳在纵向构件端部和根部产生较大的应力集中点，是一种不良的结构形式[3]；同时，布置在耐压壳体上的纵骨虽然可以提高壳体沿纵向上的刚度，进一步提高耐压船体的总稳定性及承载力[4]，但纵骨的存在破坏了耐压船体的轴对称性，从而使耐压船体截面上的应力沿周方向发生大幅变化，即在纵骨处出现较大的弯曲应力，出现应力集中点，而这些应力集中点是耐压船体引发疲劳裂纹的源点，在潜艇反复上浮、下潜过程中容易出现壳体的疲劳破坏，对潜艇的安全使用带来隐患[5]。以上两种结构形式因存在不利影响一般已不被采用。本文所述纵向构件与上述纵筋或纵骨同属于在承受外压的耐压壳体上布置的纵向结构，但作用的对象由耐压壳上的锥柱结合处或圆柱壳变为锥-锥过渡段之间的环壳，类比以上结构，在环壳过渡段布置纵向构件可能会对过渡段带来类似的不利影响。由于其他设计考虑不得不采用这种纵向结构时，如何消除其带来的不利影响成为了亟待解决的问题。为此，考虑采用ANSYS仿真分析布置纵向构件对耐压壳体环壳过渡段力学性能的影响，提出纵向构件不与耐压壳直接相连的新型结构形式。

1 结构计算模型

壳体、肋骨、纵向构件及其环向连接结构均采用ANSYS中的shell181单元，相关参数如下。

弹性模量E=2.1×105MPa；

泊松比μ=0.3,σs=785 MPa；

R1/R2=0.701，环壳半径a/R2=2 025.34；

左、右侧锥角分别为γ1=20°，γ2=4.4°；

肋骨间距l/R2=0.296；

耐压壳厚度t1/R2=0.018 8,t2/R2=0.016 9。

沿环向每隔20°布置一条纵向构件，纵向构件左侧高h1/R2=0.014 1,右侧高h2/R2=0.040 5，厚度t/R2=0.016 9,用于连接的两侧环向构件板厚t/R2=0.018 8。有限元模型见图3。

图3 有限元模型

2 纵向连接结构对环壳过渡段结构强度的影响

在环壳过渡段与非耐压壳之间不同布置形式的结构模型，其结构特点见表1。

表1 不同结构布置特点

模型一～三耐压壳体各典型应力沿轴向的分布见图4。其中环壳过渡段为1 200～1 800 mm，纵向构件布置在1 200～1 690 mm之间，其中1、2、3点分别代表在过渡段上纵向构件中部、环壳中部、纵向构件末端这3个点。

图4 锥-环-锥结构各模型典型应力沿轴向的分布

由图4可看出：①由模型一、二对比可知，在环壳段内布置环向构件后使各典型应力沿轴向的分布发生了变化，在环壳上布置环向构件后各典型应力在其附近有明显的下降，同时布置环向构件降低了整个环壳段内的中面环向应力和半个环壳段内的外表面纵向应力，但会使内表面纵向应力在一定范围内有所增加。布置环向构件后，环壳段内纵向应力的极值点由原本的环壳中部过渡到环壳左端肋骨与环向构件的中部。②对比模型二和模型三中的纵向构件处的应力分布可知，布置纵向构件后，环壳段内各典型应力在布置纵向构件处都有了明显的下降。相比于模型二，模型三在纵向构件的末端处中面环向应力和内表面纵向应力的波动幅度更大，说明布置纵向构件会造成耐压壳壳板在纵向构件末端处沿轴向的应力集中。③模型二和模型三中的纵向构件跨中处各应力分布曲线基本保持一致，说明布置纵向构件对纵向构件跨中处的壳板强度影响很小。对比模型三中的纵向构件处及纵向构件跨中处应力分布发现，在布置纵向构件的整个范围内环壳段在纵向构件跨中处和纵向构件处各应力都保持着较大的差值。其中，纵向构件处与纵向构件跨中处的中面环向应力差值最大处在环壳左侧跨端附近1 260 mm处，外表面纵向应力差值最大处在纵向构件中部，内表面纵向应力差值处在纵向构件末端左侧附近1 630 mm处。

在环壳段内取纵向构件与纵向构件跨中处各典型应力差值最大的点，得到模型二和模型三各点处典型应力沿环向的分布见图5。

图5 相应点各典型应力沿环向的分布

由图5可知，结构未布置纵向构件时，各典型应力沿环向固定不变。在布置纵向构件后，锥-环-锥各控制点典型应力沿环向在纵向构件处与纵向构件跨中处往复波动，各典型应力在纵向构件附近急剧下降，在18个纵向构件处出现了18个最小峰值。可见，布置纵向构件对降低纵向构件跨中处壳板应力的影响远小于纵向构件处，从而造成各典型应力沿环向发生大幅度周期性波动，在环壳上布置纵向构件出现了类似布置纵筋加强或纵骨结构形式给耐压壳体带来的问题。

3 连接结构的优化设计

在耐压壳体环壳过渡段外侧另布置一层板壳用以连接纵向构件底端，其两端连接于用于连接纵向构件的环向筋上，然后将纵向构件构件连接于非耐压壳板与该壳板之间，从而避免纵向构件直接与耐压壳相连，见图6。

图6 纵向构件结构纵、横剖面示意

附加连接板厚10 mm,与耐压壳间隔10 mm,保持纵向构件与舱段所有尺寸不变，建立含有上述连接形式的结构模型，即模型四。模型二与模型四各典型应力沿轴向的分布，见图7。

图7 模型二、四各典型应力沿轴向的分布

由图7可见，模型四环壳段在布置纵筋的范围内纵向构件与纵向构件的跨中处应力水平沿轴向基本保持一致，说明采用这种类型结构后环壳段各典型应力基本不再发生沿环向的波动，相比模型二无纵向构件时的锥-环-锥结构，内表面纵向应力在纵向构件布置范围内有一定幅度的下降；同时这种布置形式还没有产生在模型三中出现的因布置纵向构件而造成的耐压壳壳板在纵向构件端部处沿轴向上的应力集中。说明采用这种布置形式有效解决了布置纵向带来的耐压壳上的应力集中问题。

为了确保因额外布置一层附加连接板不会给船体带来过多重量上的负担，现取不同的附加连接板的厚度建立系列模型，计算得到附加板不同厚度时附加连接板和纵向构件的应力，见表2。

表2 不同附加连接板厚度的纵向构件应力

由表2可见,由于纵向构件与附加连接板均不与耐压壳直接相连，附加连接板与纵向构件本身的应力水平较低，说明这种形式的结构对附加板的板厚要求较低，由此所需增加的潜艇重量较小，采用这种布置形式来解决纵向构件带来的应力集中问题是可行的。

4 结论

1)在过渡段布置纵向构件破坏了旋转体结构环向的轴对称性，改变了过渡段壳板周向无矩的应力状态，使壳体在纵向构件附近产生了较高的纵向弯曲应力，破坏了在均布静水压力作用下环肋圆柱壳体变形的均匀性，整个纵向构件区域内的过渡段结构应力沿环向成周期性波动，虽能降低纵向构件附近处的应力，但会造成壳板在纵向构件处的应力集中，结构易在布置纵向构件附近处的应力集中点发生疲劳破坏。

2)采用在纵向构件和环壳之间加一层附加板使纵向构件不在环壳上生根的这种结构形式可保持结构环向的对称性和一致性，环壳壳板的应力沿环向波动幅度很小，可有效解决因布置纵向构件壳板沿环向在纵向构件处产生的应力集中和沿轴向在纵向构件末端处产生的应力集中问题。同时，该结构形式对所需附加的连接板板厚要求很低，所需牺牲的重量代价较小。因此，当需要在环壳过渡段布置纵向构件时，该结构形式是很好的选择。