第七章-板殼結(jié)構(gòu)在船舶工程的應(yīng)用課件

1潛水器耐壓殼體的結(jié)構(gòu)形式潛水器的耐壓殼體是潛水器浮力的主要提供者。耐壓殼體的重量一排水量比(W／D)小，潛水器就能提供較大的有效載荷，亦可減小潛水器的總重量。決定耐壓殼體的重量一排水量比的主要因素除材料外，就是耐壓殼體中的應(yīng)力和失穩(wěn)時(shí)的臨界壓力。1潛水器耐壓殼體的結(jié)構(gòu)形式潛水器的耐壓殼體是潛水器1從應(yīng)力的角度來看，球形殼體最好，因?yàn)樗谋∧?yīng)力只有圓柱形殼的一半。所以，對(duì)于工作深度大于800m的潛水器，其耐壓殼體大多采用球形，這樣可獲得最小的重量一排水量比值。

對(duì)于工作深度小于800m的潛水器，其耐壓殼大多采用圓柱殼。這是因?yàn)閷?duì)工作深度在800m以內(nèi)的潛水器來說，根據(jù)應(yīng)力決定的球形殼體的厚度很小，這時(shí)耐壓殼體的強(qiáng)度可以滿足，而穩(wěn)定性要求往往不能滿足。為此，必須加厚球殼的厚度。這樣，球殼受力狀態(tài)比圓柱殼優(yōu)越的特點(diǎn)就不很明顯，甚至球殼的重量一排水量比大于圓柱殼，因?yàn)閳A柱殼的失穩(wěn)壓力可通過適當(dāng)調(diào)節(jié)肋骨間距來達(dá)到。從應(yīng)力的角度來看，球形殼體最好，因?yàn)樗谋∧?yīng)力只有2目前，潛水器所采用的耐壓殼體結(jié)構(gòu)形式大多為如圖所示。目前，潛水器所采用的耐壓殼體結(jié)構(gòu)形式大多為如圖所示。3

球形耐壓殼體就重量而言是最輕的結(jié)構(gòu)形式，其空間利用率也最低；而筒形殼體雖能有效地利用內(nèi)部空間，但重量一排水量比值W／D卻沒有球形殼體低，當(dāng)工作深度增加時(shí)，圓筒必須用肋骨加強(qiáng)，這樣就使重量增大，W/D比值提高。表l—l列出了球體直徑為2.4m時(shí)，各種結(jié)構(gòu)形式所具有的W/D值。表l一2給出了三種基本結(jié)構(gòu)形式各自的優(yōu)缺點(diǎn)。值得注意的是如果耐壓殼體采用輕質(zhì)材料，則可以在較低W／D值或相同W／D值下，使?jié)撍骶哂休^大的作業(yè)深度。球形耐壓殼體就重量而言是最輕的結(jié)構(gòu)形式，其空間利用率4第七章-板殼結(jié)構(gòu)在船舶工程的應(yīng)用課件5第七章-板殼結(jié)構(gòu)在船舶工程的應(yīng)用課件62潛水器耐壓殼體的材料耐壓殼體材料有金屬和非金屬兩類。在選擇潛水器的殼體材料以及它們的焊接或連接材料時(shí)，必須考慮下列因素：腐蝕——在潛水器的使用環(huán)境中，由于受化學(xué)或電化學(xué)作用，會(huì)使金屬腐蝕。應(yīng)力腐蝕破裂——在裂紋和拉應(yīng)力的聯(lián)合作用下由于塑變擴(kuò)大而破壞。低周疲勞——當(dāng)材料受到幅值小于拉伸強(qiáng)度的波動(dòng)應(yīng)力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生疲勞性破壞（低周是指壓力波動(dòng)次數(shù)小于十萬次的情況）。蠕變——在應(yīng)力作用下，材料隨時(shí)間而產(chǎn)生的塑性變形(即結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀發(fā)生永久變形)。2潛水器耐壓殼體的材料耐壓殼體材料有金屬和非金屬兩7消除應(yīng)力后材料的變脆性——當(dāng)把金屬材料加熱到適當(dāng)溫度，然后讓其慢慢冷卻以消除殘余內(nèi)應(yīng)力時(shí)，材料的正常延展性降低。脆裂——某些材料在低溫下，很少或沒有塑性變形而產(chǎn)生裂紋。比強(qiáng)度——材料的強(qiáng)度限與密度之比。比剛度——材料的彈性模量與密度之比。屈強(qiáng)比——材料的屈服限與強(qiáng)度限之比。沖擊韌性——材料抵抗沖擊的能力。高延展性——不使材料產(chǎn)生裂紋的塑性變形能力。斷裂韌性——?dú)んw在產(chǎn)生貫穿裂紋的區(qū)域，發(fā)生塑性變形但不使裂紋有大的擴(kuò)展而造成破壞的能力?？珊感浴饘俨牧显谶m當(dāng)條件下對(duì)焊接的適應(yīng)性?？沙尚托浴饘俨牧贤ㄟ^塑性變形使其成形的方便性。消除應(yīng)力后材料的變脆性——當(dāng)把金屬材料加熱到適當(dāng)溫度，然后讓8對(duì)于所選用材料，其研制成本和材料是否容易獲得，具有同等的重量性。潛水器的耐壓殼材料有鋼、鋁、鈦、丙烯酸塑料，玻璃和木材。然而，絕大部分耐壓殼體(約90％左右)都采用鋼。這主要是因?yàn)樵O(shè)計(jì)者和制造者對(duì)鋼的性能有較全面的了解，而且對(duì)于鋼在海洋環(huán)境下的應(yīng)用已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

鈦合金具有良好的機(jī)械性能在海水中抗腐蝕能力強(qiáng)且無磁性。但由于其造價(jià)高、加工復(fù)雜(包括焊接)，因而應(yīng)用受到限制。相信隨著鈦合金機(jī)械性能的進(jìn)一步完善，加工工藝的改進(jìn)和費(fèi)用的降低，鈦合金將被廣泛用來制造耐壓殼、容器、浮筒和潛水器的其它殼體構(gòu)件。對(duì)于所選用材料，其研制成本和材料是否容易獲得，具有同9具有比強(qiáng)度高的鋁合金，可用來制造大深度工作潛水器的耐壓殼，但鋁合金耐壓殼的造價(jià)大大地高于鋼質(zhì)殼體。高強(qiáng)度鋁合金的缺點(diǎn)是焊接性能差，與等強(qiáng)度的鋼和鈦合金相比較，這個(gè)問題使制造焊接部件明顯地復(fù)雜化。

增強(qiáng)塑料廣泛地用來建造小深度工作潛水器的耐壓殼體，以及在各種深度工作的潛水器的非耐壓殼體?？梢哉J(rèn)為矽酸鹽玻璃、丙烯塑料和陶瓷是很有發(fā)展前途的材料。由于缺乏可靠的堅(jiān)固性和同相鄰部件的連接性，這些材料暫時(shí)都受到使用上的限制。軟鋼、鋁合金和玻璃鋼可作為制造非耐壓殼的材料。具有比強(qiáng)度高的鋁合金，可用來制造大深度工作潛水器的耐103潛水器艇體上的受力

潛水器在使用過程中，艇體會(huì)受到各種外力的作用。外力按其性質(zhì)可分為兩類：靜力和動(dòng)力。

靜力包括艇體及各種設(shè)備的重力、靜水壓力等；

動(dòng)力包括波浪沖擊力、機(jī)械工作時(shí)由于不平衡產(chǎn)生的慣性力、碰撞力等。在潛水器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要以靜力作用作為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算的依據(jù)。至于動(dòng)力強(qiáng)度只是在靜力強(qiáng)度計(jì)算的基礎(chǔ)上作某些校核。3潛水器艇體上的受力潛水器在使用過程中，艇體會(huì)受到111）潛水器在深水中的受力情況

潛水器處于水下狀態(tài)時(shí)，作用在艇體上的外力有：深水靜壓力和重力。但各段上因重力和浮力不一致而產(chǎn)生的剪力、彎矩所決定的應(yīng)力相對(duì)于深水壓力決定的應(yīng)力是很小的，因此可以忽略不計(jì)。

靜水壓力是由耐壓艇體承受的，為了研究作用在艇體上的靜水壓力的大小，從耐壓艇體長(zhǎng)度方向取出單位長(zhǎng)度的單元來看，在此單元上，壓力分布沿高度方向成線性變化，其作用壓力分為兩個(gè)部分。1）潛水器在深水中的受力情況12第七章-板殼結(jié)構(gòu)在船舶工程的應(yīng)用課件13第七章-板殼結(jié)構(gòu)在船舶工程的應(yīng)用課件14

由于R／h是一個(gè)小量，通常忽略p1的影響，又由于—般潛水器耐壓艇體均較短，固縱傾而使得深水壓力沿艇縱向的小量變化，也可忽略不計(jì)。這樣，潛水器在深水中的受力，相當(dāng)于耐壓艇體受到一個(gè)均勻載荷，其值等于耐壓艇體軸線至自由水面高度的水柱壓力，即由于R／h是一個(gè)小量，通常忽略p1的影響，又由于—般154耐壓艇體計(jì)算載荷的確定

工作深度hg是指潛水器在正常使用過程中所能達(dá)到的最大深度。在此深度上，潛水器能作任意次的、長(zhǎng)期的停留而不引起耐壓艇體產(chǎn)生永久變形。

極限深度hjx是指潛水器能下潛的最大深度。在此深度上，潛水器只能作有限次的、短時(shí)間的停留。

通常工作深度為：4耐壓艇體計(jì)算載荷的確定工作深度hg是指潛水器16

在設(shè)計(jì)計(jì)算耐壓艇體強(qiáng)度時(shí)考慮了一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備即以比極限深度更大的深度作為計(jì)算依據(jù)，此深度稱為計(jì)算深度，用hj表示。相應(yīng)于計(jì)算深度下的靜水壓力稱為計(jì)算載荷，用pj表示。計(jì)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)考慮在載荷中的強(qiáng)度儲(chǔ)備通常用安全系數(shù)K來表示，因此計(jì)算深度與極限深度的關(guān)系為：

在設(shè)計(jì)計(jì)算耐壓艇體強(qiáng)度時(shí)考慮了一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備即以比極17

下圖為潛水器的工作深度、極限深度和計(jì)算深度的關(guān)系示意圖。

下圖為潛水器的工作深度、極限深度和計(jì)算深度的關(guān)系示意18

安全系數(shù)K要考慮所有強(qiáng)度計(jì)算中沒有考慮的、影響艇體強(qiáng)度的各種因素。其中有些因素對(duì)艇體強(qiáng)度的影響目前尚不能定量地確定，如材料屈強(qiáng)比對(duì)艇體強(qiáng)度的影響，殘余應(yīng)力對(duì)強(qiáng)度的影響等。有些因素是隨機(jī)變化的，比如殼板實(shí)際厚度與名義厚度的偏差，材料實(shí)際屈服強(qiáng)度與計(jì)算時(shí)應(yīng)用的屈服強(qiáng)度的偏差等。有些因素則是人為的，如航行過程中的超深?？傊_定安全因素K是—項(xiàng)很復(fù)雜的工作，但主要應(yīng)考慮下列幾方面的因素：安全系數(shù)K要考慮所有強(qiáng)度計(jì)算中沒有考慮的、影響艇體強(qiáng)191．材料方面的影響材料方而的影響通常包括兩個(gè)方面：(1)材料幾何尺寸的偏差。目前的計(jì)算規(guī)則中，耐壓殼板的計(jì)算厚度t和名義厚度t0有如下的統(tǒng)一規(guī)定：在安全系數(shù)中不再考慮由材料幾何尺寸的偏差引起的影響。1．材料方面的影響目前的計(jì)算規(guī)則中，耐壓殼板的計(jì)算20(2)機(jī)械性能方面的影響

在強(qiáng)度計(jì)算中，σs、E、μ一般都取材料試驗(yàn)的最低值，因此是偏于安全的。但隨著潛水器下潛深度的增加，高強(qiáng)度鋼材的采用，σs／σb的提高，這些對(duì)結(jié)構(gòu)的抗爆能力及低周疲勞是不利的，因此在安全系數(shù)中應(yīng)該考慮這些不利因素。

(2)機(jī)械性能方面的影響在強(qiáng)度計(jì)算中，σs、E、μ212．設(shè)計(jì)計(jì)算公式的可靠性

在“潛水器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)則”中所采用的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算公式，一般都是經(jīng)過大量的實(shí)物和模型試驗(yàn)證明是可靠的，因此安全系數(shù)中可以不考慮其影響。

2．設(shè)計(jì)計(jì)算公式的可靠性在“潛水器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)則”中223．施工制造方面的影響

殘余應(yīng)力對(duì)艇體強(qiáng)度的影響，一般情況下總是不利的，目前還不能用計(jì)算方法來確定它的影響。

如殼板與肋骨的不圓度、圓柱耐壓殼的肋骨位置偏差、焊縫的局部變形等。這些偏差都會(huì)員響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，因?yàn)榧庸すに囁竭_(dá)不到這樣的要求，所以只能限制在加工工藝可能達(dá)到的最小偏差范圍，這就要求在安全系數(shù)K中充分考慮到這些偏差對(duì)強(qiáng)度的影響。

3．施工制造方面的影響