儲(chǔ)泉松（南京新華日?qǐng)?bào)社，南京，210092）

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千島湖10客位觀光潛艇強(qiáng)度分析

儲(chǔ)泉松
（南京新華日?qǐng)?bào)社，南京，210092）

摘要：作為現(xiàn)代潛艇的一個(gè)分支，觀光潛艇與完備的現(xiàn)代潛艇具有共同的技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)由于觀光潛艇以游客為主，對(duì)于潛艇的安全性和可靠性有更高的要求。本文對(duì)一艘航行于千島湖的10客位觀光潛艇進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)，參考合適的母型船，確定了觀光潛艇的主尺度，建立了觀光潛艇的三維模型，基于Abaqus對(duì)潛艇的耐壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度校核，本文為觀光潛艇的強(qiáng)度分析提供了技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：觀光潛艇；仿真；強(qiáng)度；有限元

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展與人民生活水平的提高，水下旅游正在興起。觀光潛艇具有觀察直接、利潤(rùn)大等特點(diǎn)，，目前的研究越來(lái)越引起人們的重視。千島湖位于浙江淳安，這里有我國(guó)規(guī)模最大、最完備的水下古建筑群供游人參觀。因此，研究合適的水下觀光潛艇，對(duì)千島湖水下景點(diǎn)價(jià)值的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

觀光潛艇目前具有廣闊的市場(chǎng)前景。我國(guó)具有廣闊的海洋，海南島、西沙群島、青島、大連等地都是發(fā)展水下旅游的黃金水域。當(dāng)?shù)卣疄榱苏衽d經(jīng)濟(jì)，紛紛瞄準(zhǔn)水下旅游這一商機(jī)，在此時(shí)期，對(duì)觀光潛艇的設(shè)計(jì)與研究具有重要的價(jià)值。

由于觀光潛艇以游客為主，對(duì)安全性和可靠性有著更高的要求，因此，強(qiáng)度校核成為觀光潛艇設(shè)計(jì)中的首要任務(wù)，有限元法的出現(xiàn)，使傳統(tǒng)的傳播結(jié)構(gòu)力學(xué)方法及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方法發(fā)生了根本變革。過(guò)去手工計(jì)算方法不能解決的問(wèn)題，用有限元法迎刃而解。

1 潛艇主尺度的確定

1.1 潛艇主尺度的確定原則

千島湖10客位觀光潛艇是專門為旅游業(yè)設(shè)計(jì)的可容納10名乘客的潛艇。潛艇的設(shè)計(jì)滿足CCS潛水系統(tǒng)和潛水器入級(jí)與建造規(guī)范嚴(yán)格要求。它的特點(diǎn)是通過(guò)在水線以上使用成型的玻璃纖維柱架，使該艇具有流線型水動(dòng)力形狀。潛艇耐壓殼的主尺度首先要滿足重浮力平衡。經(jīng)過(guò)對(duì)整個(gè)潛艇的設(shè)備初步布置及潛艇的重浮力估算，考慮到潛艇的潛浮性能、總排水量、成員人數(shù)、最大航速等基本參數(shù)，參考母型艇，同時(shí)保證乘客有足夠的舒適空間，確定潛艇的主要尺寸。

1.2 外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

耐壓艇體是船舶承受海水壓力的那一部分。觀光潛艇型線圖如圖2.1所示，外殼結(jié)構(gòu)由三部分組成，即艏部、艉部和平行舯體。潛艇下潛極限深度初步設(shè)定為H=75米，艇體總長(zhǎng)度為L(zhǎng)=7米，最大截面處直徑D=1.8米。

艏部為球體體的一半，半徑為900mm；

舯部為平行舯體，長(zhǎng)度L2=3500mm；

艉部為橢圓體的一半，長(zhǎng)半軸L2=2600mm，短半軸為900mm。

1.3 外殼厚度計(jì)算

外殼分為三部分，即艏部外殼、平行舯體部外殼和艉部外殼。與艏艉部外殼受力比較可知，舯體部位的外殼最容易產(chǎn)生變形破壞。因此要計(jì)算整個(gè)潛艇外殼的厚度，只需計(jì)算平行舯體部分的外殼厚度。

其中，p代表最大工作壓力，單位為Mpa；

D0 代表殼體內(nèi)徑，單位為mm；

［σ］代表許用應(yīng)力，單位為N/mm2；

潛艇采用屈服極限為340Mpa的Q345R鋼，其許用應(yīng)力為189Mpa，帶入求得厚度為5.27mm.設(shè)計(jì)厚度6mm。

2 耐壓殼體強(qiáng)度校核

2.1 半球形封頭強(qiáng)度校核

問(wèn)題描述：半球形封頭中間開孔，用于安裝駕駛員觀察窗，孔直徑為300mm，賦予截面屬性E=2.1*105MPa，泊松比0.3，約束半球形封頭與平行舯體連接處的自由度，外表面施加P=ρgh=1.1025MPa的均布載荷，劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)為1449的網(wǎng)格，提交作業(yè)分析，得到應(yīng)力云紋圖如圖2.1所示。

圖2.1 半球形封頭應(yīng)力云紋圖

部分應(yīng)力最大處結(jié)果如表3.1所示。

表2.1 應(yīng)力最大處結(jié)果

由圖2.1和表2.1可知，應(yīng)力最大處出現(xiàn)在與平行舯體連接處及前方開口處，最大值為161.244＜0.85σs=289MPa，滿足強(qiáng)度要求。

2.2 平行舯體強(qiáng)度校核

問(wèn)題描述：圓筒形耐壓殼體采用環(huán)向肋骨加強(qiáng)，肋骨采用6號(hào)球扁鋼，肋骨間距為700mm， 賦予截面屬性E=2.1*105MPa，泊松比0.3，約束半球形封頭與平行舯體連接處的自由度，外表面施加P=ρgh=1.1025MPa的均布載荷，劃分9831個(gè)網(wǎng)格，提交作業(yè)分析，得到應(yīng)力云紋圖如圖2.2所示。

圖2.2 平行舯體應(yīng)力云紋圖

部分應(yīng)力最大處結(jié)果如表2.2所示。

表2.2 應(yīng)力最大處結(jié)果

由圖2.2和表2.2可知，應(yīng)力最大處出現(xiàn)在與平行舯體連接處及前方開口處，最大值為198.376MPa＜0.85σs=289MPa，滿足強(qiáng)度要求。

為了安裝乘客觀察窗，需要對(duì)耐壓殼體進(jìn)行開孔，孔的直徑為300mm， 有10個(gè)乘客觀察孔，每個(gè)觀察孔可供一名游客觀察，每個(gè)觀察孔是一個(gè)鍛件，經(jīng)過(guò)機(jī)械加工具有向外錐型的開口、向外錐型角度60度。窗子有平的不變形的面和一個(gè)60度的匹配圓錐角，在安裝窗子期間，一薄層不漏氣油脂涂在密封面上，不用O型圈或其他密封。透明的保護(hù)罩保護(hù)它們內(nèi)側(cè)不損壞。觀察窗采用A60級(jí)船用防火玻璃（圖2.3），主要參數(shù)如表2.3所示：

表2.3 觀察窗玻璃參數(shù)

圖2.3 觀察窗

開孔后耐壓殼體模型如圖2.4所示。

圖2.4 耐壓殼體模型

2.3 半橢球型艇尾強(qiáng)度校核

問(wèn)題描述：半橢球形艇艉截面屬性E=2.1*105MPa，泊松比0.3，約束半橢球形艇艉與平行舯體連接處的自由度，外表面施加P=ρgh=1.1025MPa的均布載荷，劃分3015個(gè)網(wǎng)格，提交作業(yè)分析，得到應(yīng)力云紋圖如圖2.4所示。

圖2.5 半橢球形艇艉應(yīng)力云紋圖

部分應(yīng)力最大處結(jié)果如表2.4所示。

表2.4 應(yīng)力最大處結(jié)果

由圖2.5和表2.4可知，應(yīng)力最大處出現(xiàn)在與平行舯體連接處，最大值為287.572MPa＜0.85σs=289MPa，滿足強(qiáng)度要求。

3 結(jié)論

本文根據(jù)千島湖水下觀光需求，依據(jù)相關(guān)規(guī)范，對(duì)千島湖10客位觀光潛艇進(jìn)行了主尺度設(shè)計(jì)，基于Abaqus對(duì)潛艇耐壓殼體進(jìn)行了強(qiáng)度校核，得出以下結(jié)論：

1.我國(guó)海洋廣闊，觀光潛艇具有廣闊的發(fā)展前景，本文為觀光潛艇強(qiáng)度計(jì)算提供了技術(shù)參考。

2.現(xiàn)代潛艇耐壓殼體往往采用同一種鋼材，而觀光潛艇需要對(duì)耐壓船體進(jìn)行開孔以便安裝乘客觀察窗，本文在半球形封頭部分進(jìn)行了開孔處理，在平行舯體部分對(duì)觀察窗材料進(jìn)行了選擇。

3.由圖3.2可知，平行舯體與艇艏及艇艉連接處形變量明顯大于中間部分，說(shuō)明在有限元分析中，局部分析與整船分析有一定的誤差，誤差的來(lái)源以及如何改進(jìn)為以后的研究指明了方向。

4.由圖3.4和表3.4可知，半橢球型艇尾強(qiáng)度雖然滿足要求，但與平行舯體連接處出現(xiàn)了應(yīng)力集中，在以后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)加以改進(jìn)，例如用肋骨加強(qiáng)。

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Analysis on the intension of 10-seats tour submarine in Qian Dao Lake

Chu Quansong
（the XinHua News Agency，NanJing，210092）

Abstract：With the development of society and the improvement of people’s living standards，tourism in water is on the rise.As the most direct way of underwater sightseeing tourism，the research and development of tourism submarine are attracting more and more attention.At present，China’s tourist submarine is still in the initial stage，This paper is to provide a technical reference for the strength analysis for tourist submarine.

Keywords：tourist submarine；simulation；strength；finite element

中圖分類號(hào)：TB21

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-0707 （2012） xx-xxxx-x

作者簡(jiǎn)介

儲(chǔ)泉松（1960-），南京新華日?qǐng)?bào)社，工程師。主要研究方向?yàn)轱w機(jī)、雷達(dá)、電子儀表等。