球－环－锥旋转组合壳强度和稳定性研究

【摘要】：增大极限潜深是现代潜艇发展的一个主要方向。随着潜深的增大，对于潜艇耐压结构，不仅要求其能承受较大的深水压力，同时还要求其具有较小的重量。球面舱壁正是利用球壳在均匀外压下应力分布比较均匀、材料强度得到充分利用的受力优点而获得重量较轻而承载能力较大的收益，因此成为潜艇常用的结构形式。然而过渡区域的强度问题和球壳部分的稳定性问题是潜艇端部球面舱壁设计中的两个迫切需要解决的突出问题。本文正是针对这两问题对与耐压锥壳连接的球面舱壁（球－环－锥组合壳结构）展开研究。 论文选取传递矩阵法和新型齐次扩容精细积分法作为球－环－锥组合壳结构强度的分析方法。该方法是近几年发展起来的，它是属于半解析、半数值方法范畴，和有限元法相比，不仅精度高，而且计算量少。深入研究了环－锥连接处不同斜率差、球壳半径、环壳半径和环－锥连接处与邻近肋骨之间的距离对过渡区域应力的影响，给出了过渡区域应力随相关参数变化的分布规律，为球－环－锥结构过渡区域的设计提供了参考。采用同样的方法分析了球－环－锥结构的线性稳定性问题，研究了锥壳半锥角、环壳半径及其厚度和球壳半径及其厚度对结构临界压力的影响，发现球壳的临界压力仅决定于其半径、厚度，而其它参数对其并无显著影响。 论文建立了一种分析均匀外压下具有局部轴对称几何缺陷球壳非线性稳定性的新方法－微分求积法。论文以这种不利形式的几何缺陷为研究对象，并假设缺陷区域为球形形状，相邻壳体的影响简化为具有转动约束和切向约束的边界条件，详细推导了在圆柱坐标系下微分求积法的计算格式，然后采用Newton－Raphson法进行了求解。研究了不同幅值几何缺陷、缺陷区域壳体厚度的变化对球壳临界压力的影响。 论文结合相关研究课题，进行了球－环－锥组合壳的两个缩比模型试验。模型一的试验值验证了传递矩阵法计算球－环－锥组合壳强度的正确性，模型二的试验值验证了微分求积法求解具有局部几何缺陷球壳临界压力的正确性。 本论文通过理论和试验相结合的方法深入地研究了球－环－锥结构的强度和稳定性问题，为球面舱壁的设计提供了参考。