[发明专利]一种球面舱壁与耐压船体结构的连接结构设计方法

说明书

本发明涉及一种球面舱壁与耐压船体结构的连接结构设计方法，在针对过渡区域结构型式进行设计时，采用异形的过渡锻环代替等厚过渡环壳，同时去除锥段设计，形成球‑过渡锻环‑柱的结构形式。通过优化过渡锻环尺寸参数，降低过渡区域的应力水平。通过有限元校核计算和缩比模型试验，验证新型过渡区域、球面舱壁结构设计满足相关规范的强度和稳定性要求，本发明在满足总体布置的前提下，实现轻壳体与球面舱壁光顺连接、减少空间浪费。

技术领域

本发明属于水下结构物设计的技术领域，特别涉及一种球面舱壁与耐压船体结构的连接结构设计方法。

背景技术

目前，端部耐压球面舱壁结构及其与耐压柱壳之间的连接形式通常为球-环-锥-柱(见图1)，其中，环为等厚过渡环壳。该种结构形式适用于双壳体水下结构物，但对于单壳体水下结构物，艏端轻壳体结构与球面舱壁和锥段之间的连接区域空间狭小，存在焊接困难的问题，并且连接区域空间狭小，人员难以到达，该区域通常只能作为非水密区，无法得到有效利用，造成空间浪费。同时，由于球面舱壁需要在很短距离内由球过渡到锥，过渡环上的应力水平通常较高，并且对其形状尺寸非常敏感，该区域连接结构设计难度大。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术需求而提供一种球面舱壁与耐压船体结构的连接结构设计方法，满足水下结构物总体布置，实现轻壳体与球面舱壁光顺连接，减少空间浪费。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种球面舱壁与耐压船体结构的连接结构设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)确定球面舱壁半径及球心位置：在球面舱壁与耐压柱壳之间的连接区域设置异形的过渡锻环，形成球壳-过渡锻环-柱形式的结构，根据总体布置要求，初步设定球面舱壁半径R和球面舱壁纵向长度S；

S2)确定球面舱壁厚度t:根据下式得到计算压力P_c:

P_c＝KP_e，其中，P_e为设计压力，K为安全系数；

计算球面舱壁膜应力σ_m:

对球面舱壁膜应力σ_m进行校核，当σ_m≤0.4σ_s时，即满足强度要求，σ_s为材料屈服强度。

S3)确定过渡锻环形状参数：过渡锻环形状参数包含：艉端厚度t₁，艏端厚度t₂，锥度α，内表面圆弧半径r₁，过渡锻环总长度L，平直段长度l，外表面倒圆角半径r₂；

S4)强度和稳定性校核：建立轴对称单元模型进行强度校核，校核重点在过渡锻环及前后端连接处内外表面纵向应力；稳定性校核是通过建立shell单元模型，进行极限承载压力P_cr计算；

S5)比例模型试验验证：根据确定的比例等比缩小结构形成缩比模型，对缩比模型进行强度试验和极限承载能力试验。

按上述方案，步骤S3中所述过渡锻环形状参数的设计标准如下：

艉端厚度t₁与柱壳厚度保持一致；艉端厚度t₂与球壳厚度保持一致，即，t₂＝t；过渡锻环总长度L大于包含内外表面倒圆角的最大长度；锥度α，内表面圆弧半径r₁，平直段长度l，外表面倒圆角半径r₂，均采用有限元法进行计算校核确定，通过建立轴对称单元模型，分别比较各参数对应力分布的影响规律，并确定最优组合。

按上述方案，步骤S4中所述强度校核的校核衡准如下：