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潜艇平面舱壁新型节点力学特性及优化研究

李伦  
【摘要】:耐压船体的内部强舱壁是潜艇的重要结构之一。当潜艇舱室破损进水时,在一定深度下强舱壁可以保证相邻完好舱室的安全,使其舱室构成救生舱室。内部舱壁可分为球面和平面两种结构形式。为利于总体布置,目前潜艇的内部舱壁多采用平面结构形式。由于内部舱壁的载荷为一次性载荷,为了充分发挥材料潜力,降低重量,内部平面舱壁结构一般采用弹塑性设计方法,即在计算载荷作用下,允许加强材的跨端形成塑性铰。潜艇舱室进水受压时,舱壁加强材节点结构往往会出现开裂,实艇隔舱液压试验已多次出现这种现象,因此,平面舱壁结构设计时的节点设计应引起高度重视。为改善平面舱壁节点结构的受力状态,本文结合高强度钢新型节点结构形式开展相应研究,既具有理论上的创新意义,又具有工程应用的现实背景需求。 为了降低平面舱壁加强结构与耐压船体连接肘板处的高应变,在某实尺度舱段试验模型中采用了一种新的节点形式,即将舱壁加强肘板的斜边改为圆弧状,肘板终止于肋骨处,并在水平加强材端部设置一块挡板化解其应力集中,同时,在耐压壳板外表面与肘板对应部位设置纵筋。节点形式改变的出发点是期望舱壁结构节点具有一定程度的柔性,降低节点的应变水平。 本文首先开展了舱壁结构新节点形式力学特性的研究。通过引入子模型技术,确定了子模型范围和网格的划分尺寸。通过和实尺度模型液压试验结果相对比,验证了所选计算模型的可靠性。在此基础上,对新节点结构的力学特性进行了全面的优化分析计算,结果表明,新型肘板形式全面优于以往使用的三角形肘板;在舱壁肘板端部增加挡板可以有效降低节点在内压下的拉应变;设置外纵筋对节点的力学性能没有明显影响;在平面舱壁附近的耐压液舱不仅不会使舱壁结构的受力状况恶化,还可以改善节点的力学特性。 为进一步改善舱壁结构新节点形式的力学性能,采用Optistruct对节点进行了优化研究。通过对水平桁肘板进行了形状优化,使肘板受力得到优化;对水平桁挡板进行了自由形状优化和拓扑优化,使挡板几何形状尺寸得到优化;通过对肘板面板进行拓扑优化,使肘板面板与挡板的连接关系得以明确。 在上述研究的基础上,对研究结果进行了梳理,提出了舱壁节点优化设计的思路和方法,可为以后的潜艇舱壁节点设计提供指导。


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