CN109740299A - 一种水下耐压壳体开口加强结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下耐压壳体开口加强结构设计方法，步骤1、确定水下耐压壳体结构大开口处围栏加强结构尺寸，步骤2、环肋加强：在距大开口中心左右各1/8周长处对被大开口打断的环肋进行加强，结构加强为增加腹板的厚度，增加面板的宽度与围栏外表面形成圆弧过渡；步骤3、校核水下耐压壳体结构在极限压力下的强度；步骤4、计算并校核加强肋骨结构强度。本发明方法在针对耐压壳体大开口处结构加强形式进行设计时，取消了传统辐射肘板，并增加开口处原环肋剖面模数，将其与开口围栏相连部位进行优化设计，即通过结构优化处理解决耐压壳体上焊缝端处应力集中问题，能够减少耐压壳体结构开口处焊缝数量，减少应力集中情况，改善壳体开裂的问题。

Description

一种水下耐压壳体开口加强结构设计方法

技术领域

本发明涉及舰船工程船体结构设计技术领域，具体涉及一种含大开口新型加强形式的水下耐压结构设计方法。

背景技术

目前，水下耐压结构通常在其大开孔处采用部分环肋及辐射肘板的形式对开孔部位进行结构加强。该种加强形式在规范校核时能保证较好的结构强度，但在实际工程中由于每个肘板都需要与壳体进行焊接，因此肘板在耐压壳体上增加了多条焊缝，直接导致耐压壳体加强肘板端点处的高应力集中，易造成壳板的开裂。并且这样耐压壳体结构的极限承载能力也十分依赖于焊接技术和焊缝质量。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的耐压壳体大开孔处加强形式所导致的局部高应力及端点应力集中的问题，提供一种水下耐压壳体开口加强结构设计方法，该方法在针对耐压壳体大开口处结构加强形式进行设计时，取消了传统辐射肘板，并增加开口处原环肋剖面模数，将其与开口围栏相连部位进行优化设计，即通过结构优化处理解决耐压壳体上焊缝端处应力集中问题，该方法在满足含大开口水下耐压结构强度、稳定性等条件下，实现消除水下耐压结构大开口附近局部高应力的设计方案。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种水下耐压壳体开口加强结构设计方法，该设计方法包括以下步骤：

步骤1、确定水下耐压壳体结构大开口处围栏加强结构尺寸：

耐压壳体结构为环肋结构，包括耐压壳体与耐压肋骨，所述耐压肋骨采用T型材，所述耐压壳体上设有开口半径为a(单位：mm)的大开口，所述开口采用厚度为δ(单位：mm)、高度为H(单位：mm)的围栏加强，所述环肋在围栏处断开；

步骤2、环肋加强：

在距大开口中心左右各1/8周长处对被大开口打断的环肋进行加强，所述结构加强为增加腹板的厚度，增加面板的宽度与围栏外表面形成圆弧过渡；

步骤3、校核水下耐压壳体结构在极限压力下的强度；

步骤4、计算并校核加强肋骨结构强度。

上述方案中，所述步骤2中，所述结构加强为增加腹板10％-15％的厚度，面板宽度增加为1.2-1.5倍与围栏外表面形成圆弧过渡。

上述方案中，所述步骤3具体包括以下步骤：

(3.1)计算围栏高度系数ξ：

(3.2)计算围栏短边有效高度系数η：

其中：c为围栏短端边缘距离耐压壳体中心距离，单位：mm；

(3.3)根据计算参数ξ及ηξ的值，查表1得围栏有效高度系数ζ；

(3.4)计算相当围栏面积A_c：

其中：t为耐压壳体厚度，单位：mm；

(3.5)计算含大开口水下耐压结构在极限压力下的应力集中系数K：

根据参数及的值，查表2得孔边壳板应力集中系数K；

其中：R为耐压壳体半径，单位：mm；

(3.6)对含大开口水下耐压结构在极限压力下的强度进行校核：

计算的值，与P_c进行比较，当时，水下耐压结构开口部位满足强度要求；若强度不满足要求，重新选择环肋以及围栏相关参数进行校核；

其中：σ_s为耐压壳体材料屈服强度,单位：MPa；P_c为极限压力，单位：MPa；

上述方案中，所述步骤4具体包括以下步骤：

(4.1)计算开口区域外的肋骨剖面形心至耐压壳体内缘距离f₀：

其中：∑AY为肋骨静距，单位：mm³，∑A为肋骨剖面面积，单位：mm²；

(4.2)计算肋骨加强结构的计算半径R₁(单位：mm)：

R₁＝R+f₀

(4.3)计算肋骨承载宽度L_b(单位：mm)：

L_b＝L₁+L

其中：L为肋骨间距，单位：mm，L₁为开口中心距肋骨距离，单位：mm；

(4.4)计算作用在加强肋骨上的压缩力F_c(单位：N)：

F_c＝10²·P_c·R₁·L_b

(4.5)计算开口附近加强肋骨剖面形心至耐压壳体内缘距离f₁(单位：mm)；

(4.6)计算开口附近加强肋骨弯曲力臂e_b(单位：mm)：

e_b＝-f₁+f₀

(4.7)计算开口附近加强肋骨弯矩M(单位：N·mm)：

M＝F_c·e_b

(4.8)计算开口附近加强肋骨计及围栏的有效面积A’(单位：mm²)：

A′＝A₁+A_c

其中：A₁为加强肋骨剖面面积，单位：mm²；

(4.9)计算开口附近加强肋骨外缘处的最大总应力σ_zf(单位：MPa)：

其中：W_min为加强肋骨剖面最小剖面模数，单位：mm³；

(4.10)计算开口附近加强肋骨壳板内缘处的最大总应力σ_za(单位：MPa)：

其中：W_max为加强肋骨剖面最大剖面模数，单位：mm³；

(4.11)对加强肋骨进行强度校核：

将σ_zf与σ_za的值分别与σ_s进行比较，当σ_zf＜σ_s且σ_za＜σ_s时，加强肋骨结构满足强度要求；若不满足强度要求，重新选择加强肋骨参数进行校核；

其中：σ_s为耐压壳体材料屈服强度，单位：MPa。

本发明的有益效果在于：

本发明方法主要应用于水下耐压结构大开口处结构加强设计。针对目前耐压壳体大开孔处加强形式所导致的局部高应力及端点应力集中问题，提供一种新型加强形式的设计方法。该方法在针对耐压壳体大开口处结构加强形式进行设计时，取消了传统辐射肘板，并增加开口处原环肋剖面模数，将其与开口围栏相连部位进行优化设计，即通过结构优化处理解决耐压壳体上焊缝端处应力集中问题。通过本设计方法能够减少耐压壳体结构开口处焊缝数量，减少应力集中情况，改善壳体开裂的问题，并且在满足含大开口水下耐压结构强度、稳定性等条件下，实现消除水下耐压结构大开口附近局部高应力的设计方案。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明方法设计的大开口围栏加强结构的中纵剖视图；

图2是本发明方法设计的大开口附近耐压加强肋骨结构的俯视图。

图中：10、耐压壳体；20、肋骨；30、开口围栏；40、加强肋骨。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明以某含大开口新型加强形式的水下耐压结构设计方法为例进行具体说明，但应当理解，此处所描述的水下耐压结构实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明水下耐压壳体开口加强结构设计方法，具体包括以下步骤：

步骤1、确定水下耐压壳体结构大开口处围栏加强结构尺寸：

耐压壳体结构为环肋结构，包括耐压壳体10与耐压肋骨20，所述耐压肋骨20采用T型材，所述耐压壳体10上设有开口半径为a＝500mm的大开口，所述开口采用厚度为δ＝50mm、高度为H＝1000mm的围栏加强，所述环肋在开口围栏30处断开，如图1；

步骤2、环肋加强：

在距大开口中心左右各1/8周长处对被大开口打断的环肋进行加强，所述结构加强为增加腹板10％-15％的厚度，面板宽度增加为1.2-1.5倍与开口围栏30外表面形成圆弧过度；

步骤3、校核水下耐压结构在极限压力下的强度：

(3.1)计算围栏高度系数ξ：

(3.2)计算围栏短边有效高度系数η：

其中：c为围栏短端边缘距离耐压壳体中心距离，单位：mm；

(3.3)根据计算参数ξ及ηξ的值，查表1得围栏有效高度系数ζ＝1.5；

表1.围栏有效高度系数ζ

ξ	8.0	8.2	8.4	8.6	8.8
						ηξ	0.9	1.0	1.1	1.5	3.0
ζ	1.35	1.40	1.43	1.47	1.50

(3.4)计算相当围栏面积A_c：

其中：t为耐压壳体厚度，单位：mm；

(3.5)计算含大开口水下耐压结构在极限压力下的应力集中系数K：

根据参数及的值，查表2得孔边壳板应力集中系数K＝1.22；

表2.孔边壳板应力集中系数K

其中：R为耐压壳体半径，R＝4000mm；

(3.6)对含大开口水下耐压结构在极限压力下的强度进行校核：

其中：σ_s为耐压壳体材料屈服强度,σ_s＝235MPa；P_c为100米水深处极限压力，P_c＝0.98MPa；

由计算可知，水下耐压结构开口部位满足强度要求；

步骤4、加强肋骨结构强度计算：

(4.1)计算开口区域外的肋骨剖面形心至耐压壳体内缘距离f₀：

其中：∑AY为肋骨静距，单位：mm³，∑A为肋骨剖面面积，单位：mm²；

(4.2)计算肋骨加强结构的计算半径R₁(单位：mm)：

R₁＝R+f₀＝4023.58mm

(4.3)计算肋骨承载宽度L_b(单位：mm)：

L_b＝L₁+L＝600+300＝900mm

其中：L为肋骨间距，单位：mm，L₁为开口中心距肋骨距离，单位：mm；

(4.4)计算作用在加强肋骨40上的压缩力F_c(单位：N)，加强肋骨40形式如图2所示：

F_c＝10²·P_c·R₁·L_b＝100×0.98×4023.58×900＝3548797.56N

(4.5)计算开口附近加强肋骨剖面形心至耐压壳体内缘距离f₁＝34.57mm；

(4.6)计算开口附近加强肋骨弯曲力臂e_b(单位：mm)：

e_b＝-f₁+f₀＝-10.99mm

(4.7)计算开口附近加强肋骨弯矩M(单位：N·mm)：

M＝F_c·e_b＝-39001285.18N·mm

(4.8)计算开口附近加强肋骨计及围栏的有效面积A’(单位：mm²)：

A′＝A₁+A_c＝23000+13358.54＝36358.54mm²

其中：A₁为加强肋骨剖面面积，A₁＝23000mm²；

(4.9)计算开口附近加强肋骨外缘处的最大总应力σ_zf(单位：MPa)：

其中：W_min为加强肋骨剖面最小剖面模数，W_min＝579595.78mm³；

(4.10)计算开口附近加强肋骨壳板内缘处的最大总应力σ_za(单位：MPa)：

其中：W_max为加强肋骨剖面最大剖面模数，W_max＝3611869.22mm³；

(4.11)对加强肋骨进行强度校核：

由计算可知，|σ_zf|＜σ_s且|σ_za|＜σ_s，其中σ_s为耐压壳体材料屈服强度，σ_s＝235MPa，因此加强肋骨结构满足强度要求其中。

本发明方法主要应用于水下耐压结构大开口处结构加强设计。针对目前耐压壳体大开孔处加强形式所导致的局部高应力及端点应力集中问题，提供一种新型加强形式的设计方法。该方法在针对耐压壳体大开口处结构加强形式进行设计时，取消了传统辐射肘板，并增加开口处原环肋剖面模数，将其与开口围栏相连部位进行优化设计，即通过结构优化处理解决耐压壳体上焊缝端处应力集中问题，通过本设计方法能够减少耐压壳体结构开口处焊缝数量，减少应力集中情况，改善壳体开裂的问题，并且在满足含大开口水下耐压结构强度、稳定性等条件下，实现消除水下耐压结构大开口附近局部高应力的设计方案。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种水下耐压壳体开口加强结构设计方法，其特征在于，该设计方法包括以下步骤：

步骤1、确定水下耐压壳体结构大开口处围栏加强结构尺寸：

耐压壳体结构为环肋结构，包括耐压壳体与耐压肋骨，所述耐压肋骨采用T型材，所述耐压壳体上设有开口半径为a(单位：mm)的大开口，所述开口采用厚度为δ(单位：mm)、高度为H(单位：mm)的围栏加强，所述环肋在围栏处断开；

步骤2、环肋加强：

在距大开口中心左右各1/8周长处对被大开口打断的环肋进行加强，所述结构加强为增加腹板的厚度，增加面板的宽度与围栏外表面形成圆弧过渡；

步骤3、校核水下耐压壳体结构在极限压力下的强度；

步骤4、计算并校核加强肋骨结构强度。

2.根据权利要求1所述的水下耐压壳体开口加强结构设计方法，其特征在于，所述步骤2中，所述结构加强为增加腹板10％-15％的厚度，面板宽度增加为1.2-1.5倍与围栏外表面形成圆弧过渡。

3.根据权利要求1所述的水下耐压壳体开口加强结构设计方法，其特征在于，所述步骤3具体包括以下步骤：

(3.1)计算围栏高度系数ξ：

(3.2)计算围栏短边有效高度系数η：

其中：c为围栏短端边缘距离耐压壳体中心距离，单位：mm；

(3.3)根据计算参数ξ及ηξ的值，查表1得围栏有效高度系数ζ；

(3.4)计算相当围栏面积A_c：

其中：t为耐压壳体厚度，单位：mm；

(3.5)计算含大开口水下耐压结构在极限压力下的应力集中系数K：

根据参数及的值，查表2得孔边壳板应力集中系数K；

其中：R为耐压壳体半径，单位：mm；

(3.6)对含大开口水下耐压结构在极限压力下的强度进行校核：

计算的值，与P_c进行比较，当时，水下耐压结构开口部位满足强度要求；若强度不满足要求，重新选择环肋以及围栏相关参数进行校核；

其中：σ_s为耐压壳体材料屈服强度,单位：MPa；P_c为极限压力，单位：MPa。

4.根据权利要求3所述的水下耐压壳体开口加强结构设计方法，其特征在于，所述步骤4具体包括以下步骤：

(4.1)计算开口区域外的肋骨剖面形心至耐压壳体内缘距离f₀：

其中：∑AY为肋骨静距，单位：mm³，∑A为肋骨剖面面积，单位：mm²；

(4.2)计算肋骨加强结构的计算半径R₁(单位：mm)：

R₁＝R+f₀

(4.3)计算肋骨承载宽度L_b(单位：mm)：

L_b＝L₁+L

其中：L为肋骨间距，单位：mm，L₁为开口中心距肋骨距离，单位：mm；

(4.4)计算作用在加强肋骨上的压缩力F_c(单位：N)：

F_c＝10²·P_c·R₁·L_b

(4.5)计算开口附近加强肋骨剖面形心至耐压壳体内缘距离f₁(单位：mm)；

(4.6)计算开口附近加强肋骨弯曲力臂e_b(单位：mm)：

e_b＝-f₁+f₀

(4.7)计算开口附近加强肋骨弯矩M(单位：N·mm)：

M＝F_c·e_b

(4.8)计算开口附近加强肋骨计及围栏的有效面积A’(单位：mm²)：

A′＝A₁+A_c

其中：A₁为加强肋骨剖面面积，单位：mm²；

(4.9)计算开口附近加强肋骨外缘处的最大总应力σ_zf(单位：MPa)：

其中：W_min为加强肋骨剖面最小剖面模数，单位：mm³；

(4.10)计算开口附近加强肋骨壳板内缘处的最大总应力σ_za(单位：MPa)：

其中：W_max为加强肋骨剖面最大剖面模数，单位：mm³；

(4.11)对加强肋骨进行强度校核：

将σ_zf与σ_za的值分别与σ_s进行比较，当σ_zf＜σ_s且σ_za＜σ_s时，加强肋骨结构满足强度要求；若不满足强度要求，重新选择加强肋骨参数进行校核；

其中：σ_s为耐压壳体材料屈服强度，单位：MPa。