(中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

某大型艦船通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計中采用加厚型矩形水密風(fēng)管，但在某次水密承壓試驗中水密風(fēng)管發(fā)生嚴(yán)重變形，導(dǎo)致法蘭連接處漏水，試驗結(jié)果不滿足總體水密承壓要求。針對這種情況，考慮利用有限元分析技術(shù)對不同破損進(jìn)水事故工況下的水密風(fēng)管結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計算，驗證水密風(fēng)管是否滿足總體水密承壓要求，分析水密風(fēng)管承壓能力的影響因素，基于分析結(jié)果提出矩形水密風(fēng)管結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計方案，對改進(jìn)后的水密風(fēng)管結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計算，驗證改進(jìn)方案的可行性。

1 水密風(fēng)管應(yīng)用背景

1.1 破損進(jìn)水工況概述

當(dāng)艦船由于某種原因?qū)е麓w結(jié)構(gòu)破損、發(fā)生進(jìn)水事故后，外界的海水會通過船體破口進(jìn)入艙內(nèi)；根據(jù)船體破口與水密風(fēng)管之間不同的相對位置，可以分為內(nèi)部進(jìn)水工況和外部進(jìn)水工況[1-2]，見圖1。

圖1 水密風(fēng)管應(yīng)用典型布局

1)內(nèi)部進(jìn)水工況。船體破口(破口A)位于水密風(fēng)管的開口端(水密區(qū)1)，海水從水密區(qū)1內(nèi)的通風(fēng)口進(jìn)入水密風(fēng)管內(nèi)，水密風(fēng)管承受內(nèi)部海水壓力，若風(fēng)管結(jié)構(gòu)無法承受海水壓力而破損，海水會進(jìn)入水密區(qū)2。

2)外部進(jìn)水工況。船體破口(破口B)位于水密風(fēng)管的中間段(水密區(qū)2)，海水進(jìn)入水密區(qū)2，水密風(fēng)管承受外部海水壓力，若風(fēng)管結(jié)構(gòu)不能承受海水壓力而破損，海水會通過風(fēng)管進(jìn)入水密區(qū)1。破損進(jìn)水事故發(fā)生后，不允許海水通過風(fēng)管從破損水密區(qū)到達(dá)非破損水密區(qū)，即保證水密區(qū)的獨立完整型。

水密風(fēng)管應(yīng)能夠承受破損進(jìn)水工況下的海水壓力，避免風(fēng)管結(jié)構(gòu)破損導(dǎo)致水密隔壁失效。目前，常見的水密風(fēng)管為普通加厚型風(fēng)管，包括圓形風(fēng)管和矩形風(fēng)管：圓形風(fēng)管由于截面形狀的規(guī)則性，結(jié)構(gòu)受力比較均勻；矩形水密風(fēng)管截面形狀較圓形風(fēng)管不規(guī)則，不同長寬比的矩形風(fēng)管結(jié)構(gòu)受力情況也不同。

1.2 風(fēng)管材料選型

目前船用水密風(fēng)管的管路材質(zhì)通常為不銹鋼、Q235B和20號鋼，其材料性能見表1，風(fēng)管強(qiáng)度計算選用的風(fēng)管材質(zhì)為20號鋼。

1.3 風(fēng)管水密試驗

該大型艦船通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計采用了加厚型矩形水密風(fēng)管，用于穿過不同的水密區(qū)，從而不破壞總體水密分隔[3]。為了驗證矩形水密風(fēng)管的承壓性能，開展矩形水密風(fēng)管耐水壓試驗，選擇壁厚為

表1 水密風(fēng)管不同材料性能對比(室溫)

2 mm、截面尺寸為280 mm×190 mm的矩形水密風(fēng)管作為試驗對象。試驗條件為：水密風(fēng)管兩端通過盲法蘭進(jìn)行密封，并固定兩端；采用增壓泵向風(fēng)管內(nèi)部加注高壓水，水壓由0升至0.2 MPa。試驗結(jié)果為：當(dāng)風(fēng)管承壓值升至0.15 MPa時，由于風(fēng)管變形嚴(yán)重、撕扯法蘭，引起矩形法蘭邊變形，導(dǎo)致法蘭連接處發(fā)生泄漏。發(fā)生變形的水密風(fēng)管剖面見圖2。

圖2 承壓試驗后嚴(yán)重變形的水密風(fēng)管

試驗結(jié)果說明該矩形水密風(fēng)管已無法滿足總體水密承壓要求，因此需要對風(fēng)管結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，下面利用有限元分析軟件分析水密風(fēng)管承壓性能的影響因素。

2 水密風(fēng)管強(qiáng)度計算

2.1 仿真模型與邊界條件

上述矩形水密風(fēng)管的厚度直徑比δ/Di<1/15，仍屬于薄殼容器范疇，其理論計算分為薄膜理論和彎曲理論。使用ANSYS三維殼體單元(SHELL181)進(jìn)行實體建模，矩形水密風(fēng)管有限元仿真模型見圖3(圓形水密風(fēng)管模型只是截面不同，未進(jìn)行展示)。

邊界條件：約束風(fēng)管兩端節(jié)點的所有平行自由度(AX、AY、AZ)。

圖3 矩形水密風(fēng)管有限元計算模型

2.2 應(yīng)力判定準(zhǔn)則

ASME標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)校核時，不一定需要將總應(yīng)力的最大值限制在材料屈服強(qiáng)度以下，因為總應(yīng)力包括各類應(yīng)力，不同的應(yīng)力對結(jié)構(gòu)失效的作用并不相同，應(yīng)采用應(yīng)力分類及其判定的概念進(jìn)行分析。根據(jù)應(yīng)力產(chǎn)生的原因、導(dǎo)出方法和分布性質(zhì)等分為一次應(yīng)力(P)、二次應(yīng)力(Q)和峰值應(yīng)力(F)。一次應(yīng)力包括一次薄膜應(yīng)力和一次彎曲應(yīng)力(Pb)，一次薄膜應(yīng)力又分為總體一次薄膜應(yīng)力(Pm)和一次局部薄膜應(yīng)力(PL)兩種。

ASME VIII標(biāo)準(zhǔn)給出的各類應(yīng)力評定標(biāo)準(zhǔn)見表2，其中S為材料許用應(yīng)力值。

表2 ASME各類應(yīng)力的評定標(biāo)準(zhǔn)

在風(fēng)管強(qiáng)度計算過程中，對風(fēng)管結(jié)構(gòu)的一次應(yīng)力進(jìn)行校核(Pm+Pb<1.5S)，以20號鋼為例，等效應(yīng)力的校核標(biāo)準(zhǔn)為206 MPa。

2.3 分析結(jié)果

利用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行風(fēng)管結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[4]，驗證其抗塑性破壞的性能，所考慮的載荷組合為P+D(式中P為外部壓力，D為自重)，其中根據(jù)不同的進(jìn)水工況施加不同方向的壓力載荷，壓力值為0.15 MPa(相當(dāng)于水線以下15 m水壓)。

為了進(jìn)行對比分析，計算對象包括矩形水密風(fēng)管和圓形水密風(fēng)管，其中矩形水密風(fēng)管又包括不同通徑的風(fēng)管以及相同通徑、不同長寬比的風(fēng)管，分析結(jié)果見表3、圖4、5。

2.4 小結(jié)

1)對比矩形風(fēng)管和圓形風(fēng)管的分析結(jié)果，可以看出，3 mm厚的矩形風(fēng)管均不滿足設(shè)計要求，而3 mm厚的圓形風(fēng)管均能滿足設(shè)計要求。

2)對比420×240和360×290兩種規(guī)格(相同通徑)的矩形風(fēng)管的分析結(jié)果，可以得出，矩形風(fēng)管的應(yīng)力主要來源于風(fēng)管不規(guī)則截面帶來的彎矩，截面形狀越規(guī)則、受力狀況越好；即相同通徑的矩形風(fēng)管，長寬比更小，受力情況更好。

表3 普通水密風(fēng)管強(qiáng)度分析結(jié)果

圖4 水密風(fēng)管等效應(yīng)力分布云圖(420×240，3 mm)

圖5 水密風(fēng)管彎曲變形分布云圖(420×240，3 mm)

3)對比不同規(guī)格的矩形風(fēng)管分析結(jié)果，風(fēng)管尺寸越大，受力情況越糟糕，越難以滿足校核標(biāo)準(zhǔn)，可通過增加風(fēng)管厚度來降低風(fēng)管應(yīng)力，如360×290規(guī)格的風(fēng)管厚度增加到6 mm即可滿足要求，但引起的增重幅度較大。

4)可以看出,水密風(fēng)管在承受外部壓力載荷時的受力情況更糟糕，即外部進(jìn)水工況是更惡劣的事故工況；而圓形風(fēng)管是個例外，由于結(jié)構(gòu)的均勻性，圓形風(fēng)管結(jié)構(gòu)只承受膜應(yīng)力，內(nèi)部進(jìn)水工況和外部進(jìn)水工況下的受力情況一樣。

5)根據(jù)圖4和圖5，可以看出峰值應(yīng)力位于風(fēng)管彎頭內(nèi)側(cè)，最大變形發(fā)生在風(fēng)管長邊面中部；由此推測，增大彎頭內(nèi)側(cè)曲率半徑，限制風(fēng)管長邊面中部變形，可以有效改善風(fēng)管受力情況。

3 風(fēng)管結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

3.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計

根據(jù)上述風(fēng)管強(qiáng)度分析結(jié)果可知，圓形風(fēng)管能夠很好地滿足水密承壓要求，而矩形風(fēng)管由于截面形狀的不規(guī)則引起的彎曲應(yīng)力占主導(dǎo)地位，如果限制風(fēng)管變形可有效降低風(fēng)管峰值應(yīng)力，而外部進(jìn)水工況是更惡劣的事故工況?；诖?，對矩形水密風(fēng)管結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在風(fēng)管長邊中心增加支撐梁，如圖6所示。支撐梁與風(fēng)管之間采用焊接連接固定，由于支撐梁位于風(fēng)管內(nèi)部，不對支撐梁連接焊縫的密性做出要求。

圖6 水密風(fēng)管結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意

3.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算

為了驗證矩形水密風(fēng)管結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案的合理性，選取截面尺寸420 mm×240 mm的典型矩形水密風(fēng)管(壁厚3 mm)作為計算對象，分別針對外部進(jìn)水和內(nèi)部進(jìn)水工況進(jìn)行強(qiáng)度計算，邊界條件與施加載荷與上節(jié)內(nèi)容一致，強(qiáng)度分析結(jié)果見表4。

表4 改進(jìn)后水密風(fēng)管強(qiáng)度分析結(jié)果

根據(jù)表4分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)增加支撐梁之后，水密風(fēng)管的受力情況得到極大改善，外部進(jìn)水工況下的風(fēng)管峰值應(yīng)力由1 770 MPa降至216 MPa，僅比許用應(yīng)力(206 MPa)高4.8%，最大形變量由44.7 mm降至1.6 mm，承壓性能比7 mm壁厚的普通矩形風(fēng)管還好。外部進(jìn)水工況下仍是更惡劣的施工工況，風(fēng)管的峰值應(yīng)力比內(nèi)部進(jìn)水工況稍微高一點，約9%。同時，對比不同壁厚支撐梁的分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)支撐梁主要的作用為抵抗風(fēng)管變形，支撐梁壁厚可小于風(fēng)管本身，壁厚從3 mm降至1 mm并沒有影響風(fēng)管的承壓性能，僅增加了支撐梁本身的峰值應(yīng)力。

3.3 增重分析

以420 mm×240 mm規(guī)格(壁厚3 mm)的水密風(fēng)管為基準(zhǔn)，分析增加支撐梁引起的風(fēng)管增重影響見表5。

表5 改進(jìn)后水密風(fēng)管強(qiáng)度分析結(jié)果

可以看出，增加1 mm壁厚的支撐梁引起的增重幅度僅為6.06%，遠(yuǎn)低于3 mm加厚型水密風(fēng)管的增重幅度(33.33%)。同時需要注意的是，4 mm加厚型水密風(fēng)管結(jié)構(gòu)的峰值應(yīng)力超過了材料的許用應(yīng)力，不能滿足水密耐壓要求；若要繼續(xù)增強(qiáng)風(fēng)管結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，需要將風(fēng)管厚度增至7 mm才可將峰值應(yīng)力降至許用應(yīng)力(244 MPa)附近，但由此帶來的增重比例高達(dá)133%。

由此可見，矩形水密風(fēng)管改進(jìn)設(shè)計方案不僅滿足水密承壓要求，而且增重幅度較低，對總體資源的影響較小。

4 結(jié)論

水密風(fēng)管承壓性能的主要影響因素為風(fēng)管截面形狀和壁厚。普通加厚型矩形水密風(fēng)管難以有效滿足水密承壓要求，圓形水密風(fēng)管具有很好的水密性能，實際設(shè)計中應(yīng)盡量選用圓形水密風(fēng)管；針對矩形水密風(fēng)管，外部進(jìn)水工況是更惡劣的事故工況；相同等效通徑下，矩形風(fēng)管長寬比越小，受力工況越好，承壓能力越強(qiáng)。

基于上述分析結(jié)果，提出一種矩形水密風(fēng)管結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計方案，即增加支撐梁，并對改進(jìn)后的風(fēng)管結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計算，計算結(jié)果顯示改進(jìn)后的水密風(fēng)管不僅滿足水密承壓要求，而且增重比例較低，可有效滿足船舶工程設(shè)計要求。