潜艇强度.doc

潜艇强度 2. 1耐压船体结构概述潜艇为了能在深水中航行、战斗,必须设有坚固的船体以承受巨大的深水压力。耐压船体的主要功能就在于承受深水压力, 保证舱室内部人员和各种设备的正常工作。同时组成一个水密空间,给潜艇提供 80 %一 85 %的固定浮容积,为潜艇在水下维持重力等于浮力的平衡条件提供基础。为了保证耐压船体具有上述功能, 就应该合理地选择其结构型式, 使耐压船体具有足够的强度和稳定性。 耐压船体横剖面形状历史上耐压船体横剖面形状是多种多样, 曾出现过圆形、椭圆形、矩形以及圆柱截剖体等形状。但从抵抗深水压力的观点来看, 以圆形最为有利。因此圆形剖面的耐压船体从一开始就被广泛地采用, 并且一直沿用到今天。圆形剖面的耐压船体, 其受力之所以最好, 是因为它在均匀外压作用下只产生均匀收缩变形, 这样壳板内部只有均匀压缩应力而无弯曲· 应力, 材料能得到充分利用,从而能做到结构重量轻、材料省。椭圆形、矩形等其它横剖面形状, 由于它们不是一个纯圆, 在深水压力作用下除了产生压缩应力外, 还有弯曲应力, 这样为了达到同样的强度,势必要增大结构的尺寸,增大船体重量。现代潜艇下潜深度日益加大,因此绝大多数潜艇的耐压船体横剖面采用圆形。但有时为了满足舱室设备布置的需要, 也有采用圆形组合体“8”字形横剖面结构。其组合形状的型式是多种多样的。“8”字形结构在上下两圆相交处要承受巨大的侧向力, 为了保证其强度和紧密性, 在相交处必须有专门的加强措施来保障, 这给施工装配、焊接带来许多不便。此外,“8”字形的存在也影响了潜艇外形的光顺。因此这种横剖面的结构型式只能用于耐压船体的某一局部区域( 如蓄电池舱、导弹舱等) 而不可能用于整个耐压船体上。目前在潜艇的设计制造中,很少采用这种横剖面的结构型式。 耐压船体纵剖面形状耐压船体的纵剖面形状,一般有以下几种: 2. 1. 2. 1 直线形在耐压船体中部采用平行柱体, 艏艉两部分采用截头圆锥形, 如图 2— 1(。) 所示。现代潜艇由于下潜度增大, 耐压船体壳板厚度增大, 材料机械性能提高, 再做成双曲率的壳体加工困难增大。特别是随着潜艇排水量增大双舰体结构形式被广泛地采用, 因此目前广泛地采用“直线形”耐压船体。 2. 1. 2. 2 直线局部扩大形在某些情况下, 为了布置上的需要, 在圆柱体的局部长度上, 采用扩大圆柱形或“旷字形。另外在艏艉部,还可能采用不同锥度的圆锥形组合,如图 2— 1(b) 所示。 2. 1. 2. 3 光顺曲线形在一些单舰体潜艇上, 为了改善航海性能, 常常采用更接近流线型的光顺曲线形状,如图 2— l(c) 所示, 由于过去潜艇及现代一些小型潜艇下潜深度较小, 壳板相对较薄, 且纵向曲率变化不大, 因此加工时容易做成曲线形。在结构设计与计算中, 对曲线形耐压船体的某一舱室(段) ,可以近似地按圆柱形或圆锥形壳计算。图2—1 耐比船体纵削面形状 耐压船体的结构型式如果耐压船体承受内均匀压力是不需要设置加强筋的, 但是由于深水压力是外压力, 为了有效地提高耐压船体在外水压力作用下的稳定性,必须在壳板上设置一系列横向加强筋。这些加强筋按其大小和作用的不同, 分别称为耐压船体的肋骨、特大肋骨和中间支骨, 如图 2 —2 所示。图2—2 耐压船体典型结构型式从结构力学的观点来看, 潜艇耐压船体中部是以一系列横向加强筋加强的圆柱壳, 其结构型式一般有以下两种: (1) 在横舱壁之间设置一系列等间距同刚度的肋骨,如图 2— 3(a) 所示。(2) 在横舱壁之间除设置一系列等间距同刚度的肋骨外,在每一肋骨跨度中间还安置一根剖面较小的中间支骨,如图 2— 3(b) 所示。由上所述,潜艇耐压船体中部的强度计算,可以归结为这两种结构型式的圆柱壳在均匀外压力作用下的应力计算和稳定性计算。耐压船体的艏艉部, 则是同类结构型式的圆锥壳图2—3 耐压船体一般结构型式和锥柱结合壳的计算。下面, 我们首先讨论这些壳体的应力计算, 并在第三章中讨论它们的稳定性计算。 2. 2圆柱壳的弯曲微分方程及其通解 基本概念和假设以两个曲面作为界限的物体, 且其曲面之间的距离远小于物体的其它尺寸者, 称为壳体。与壳体的两个界限曲面等距离的各点轨迹所组成的曲面,称为壳的中面。如果壳体除了它的两个界限曲面以外,不再有任何其它边界,这样的壳体称为封闭壳, 否则称为非封闭壳。非封闭壳也可以看作是从封闭壳上截割下来的一部分。切割总是靠移动一根垂直于中面的直线来完成的,因此非封闭壳的边界总是一个与壳体中面正交的曲面。在壳体中面任意点作垂线,垂线被两个界限曲面所截割的线段长度,称为壳的厚度。一般说来壳厚度可以是变量, 但工程上应用最广泛的是等厚度壳。在下面的研究中, 除非特殊说明( 在