0 引　言

液压试验是潜艇建造过程中一个极为重要的试验^[1]，应用水压对耐压船体内部进行液压试验，是检验潜艇耐压体结构是否满足设计要求的有效方法^[2]。随着总段建造法的广泛应用，潜艇通常被划分为几个总段同时建造，建造完成后，通过使用专用泵水封头工装分别进行液压试验^[3]，如图1所示。

常规封头通常可以分为凸形封头、平盖封头、锥形封头等。凸形封头和锥形封头具有加工复杂、成本较高且成型精度难以控制的缺点，平盖封头则具有结构简单、制造方便的优点，因此它常被用于潜艇液压试验相关密封构件中。谢志刚等^[4]与张浩等^[5]分别对压力容器中圆形和矩形平面加筋封头进行结构优化设计和强度分析，结果表明平面加筋封头比普通平盖封头具有更好的受力性能。但平面加筋封头的受力情况比较复杂，压力容器设计规范^[6]中仅给出一个特定形式平面加筋封头的设计计算方法。但该封头结构形式简单，随着潜艇设计深度的加大，液压试验的压力值也逐渐增大，该封头不再适应泵水封头直径大、压力大、循环次数较少的特点，而其他可供参考的潜艇泵水封头形式与设计研究也相对较少。

同时，泵水封头与潜艇端部平面舱壁受力状态具有一定的相似性，均为直交梁系构架的板架结构型式抵抗水平方向水压力，因此针对液压试验压力增大，需求直径增加，原封头形式不再适用的情况，本文参考潜艇端部平面舱壁设计方法^[7]，设计了可适用于大压力、大直径的潜艇总段液压试验用平面加筋封头，然后针对封头平面与筒体连接处具有不连续应力的固有缺陷，优化设计了加强肘板，接着利用有限元软件进行了考虑材料和几何的双重非线性分析，结果表明本文所采用的泵水封头结构强度满足规范要求、极限承压能力较大。本文潜艇总段泵水封头的设计方法可为其他泵水封头的设计具有一定的借鉴意义。

1 结构设计 1.1 液压试验需求

根据液压试验技术要求，封头工作压力为试验压力，所需封头直径＞7.4 m，设计温度为常温，材质为921A钢，应力循环次数不大于30次。

1.2 采用压力容器规范设计

当采用《压力容器》规范^[6]，结构设计压力P_c取工作压力P，许用应力σ按下式中的最小值：

$\left\{\begin{array}{c}{\text{常温下抗拉强度}{R}_{m}\text{的}}\dfrac{1}{2.7}，\\ {\text{常温下屈服强度}{R}_{\text{e}\text{l}}\text{的}}\dfrac{1}{1.5}。\end{array}\right.$

(1)

根据规范中5.9.5节，规范所采用的辐射状加筋圆形平盖封头形式如图2所示，封头壁板最小厚度按下式：

${{\delta }}_{p}=0.55d\sqrt{\frac{{P}_{c}}{{\sigma }{\phi }}}。$

(2)

式中：d为当量直径，取d₁和d₂中较大值；φ为焊接系数。将本封头相关系数带入后得到壁板的最小厚度为185 mm。此时壁板厚度过大，整体重量过重，结构制造、焊接、吊装均存在较大困难，因此规范中所列封头形式不再适用于较大压力的潜艇总段泵水封头。

1.3 参考潜艇设计规范

根据《潜艇结构设计计算方法》^[7]，端部舱壁应满足如下要求：

计算压力P_c取1.45倍工作压力P，即P_C=1.45 P。

1）对于舱壁板格，正应力σ_B满足下式：

${{\sigma }}_{{B}}\leqslant {{\sigma }}_{s} 。$

(3)

2）对于构架，正应力σ_B和剪应力τ分别满足下式：

${\mathrm{\sigma }}_{{B}}\leqslant {\mathrm{\sigma }}_{s}，$

(4)

$\mathrm{\tau }\leqslant 0.57{\mathrm{\sigma }}_{s} 。$

(5)

参考井字型加筋的首端平面舱壁结构形式，按文献[8 - 9]中多根主向梁、数根交构件的板架设计和计算方法，设计出具有7根水平和垂直主梁、若干加强筋的井字型封头结构，同时将主梁面板扩大形成双舱壁，并在梁腹板、第二舱壁上设置施工人员出入的人孔，并对主梁边缘人孔进行补强，具体结构形式如图3所示。

1.4 端部结构优化

相比于凸形封头或锥形封头的圆滑过渡方式，平面加筋封头在壁板与圆筒连接处为垂直过渡，结构存在突变，导致该处存在局部高应力区，这是平面加筋封头的固有缺陷^[10]。参考平面舱壁与耐压体新型连接形式^[11]，对本封头所有主梁与圆筒连接处设置了弧形肘板，并增设封头肋骨，将弧形肘板端部延伸至与封头肋骨连接，具体形式如图4所示。

2 非线性有限元分析

根据本文分析具有几何非线性及材料非线性的特征，利用有限元软件MSC.Patran &Nastran的sol600求解器进行隐式非线性分析，分别对初步设计方案及增设肘板后的优化方案进行建模仿真计算。

2.1 有限元模型

泵水时封头与耐压壳体共同承受内部试验水压力，为避免端部约束对封头分析产生不利影响，造成过度约束，模型中初封头外还设置了一段耐压壳体，并约束耐压壳体的远端，计算模型如图5所示。

为保证计算精度，网格均采用大小为50 mm×50 mm的四边形壳单元网格，初步方案网格数量为174796个，优化方案网格数量为178040个，网格如图6所示。

2.2 双重非线性

由于平面加筋封头存在高应力区，计算时应考虑材料的非线性效应。根据实测921A材料应力-应变，计算中采用弹塑性材料，初始屈服准则采用Von-mises准则，塑性范围内的应力应变曲线如图7所示。

考虑到结构失效时变形较大，几何非线性效应明显，计算时采用适用于大变形、小应变的更新拉格朗日方法，同时，封头内部充满水，几何变形会导致水压力变化，计算中还设置为荷载随几何变化，以考虑荷载的刚度效应。

2.3 强度分析 2.3.1 计算压力状态

计算压力P_c为1.45倍工作压力P，此时按2.3节对初步方案及优化方案进行校核，结果汇总见表1。其中规范许用应力取921A材质下屈服极限590 MPa，由于结构为井字形对称结构，垂直主梁与水平主梁应力应变分布基本相同，表中仅展示水平主梁。

舱壁及主梁合成应力云图如图8所示，初步方案中壁板正应力值、主梁大部分区域正应力和剪应力均小于许用应力，但壁板与外壳板角接处存在连续的环状大应力区域，中主梁存在节点应力集中区域，这与文献[10]中平面加筋封头固有缺陷情况基本相符。

通过分析增加肘板的优化方案，舱壁与外壳板角接处中主梁最大正应力及剪应力明细下降，壁板、中主梁及其他主梁正应力及剪应力均满足规范要求，但新增肘板区域出现明显的应力集中区域，最大应力达到了629 MPa，大于材料下屈服强度。针对该区域，规范中并未进行定量要求，仅描述为“肘板除保证梁端的剪切强度外，沿梁长度方向应有适当长度，避免构件出现塑性铰或剪切强度不足”，因此针对肘板应力集中区域，本文将对封头的极限承载情况进行进一步分析。

2.3.2 极限承载情况

通过将泵水封头进一步计算至极限承载情况，初步方案和优化方案中壁板中点、主梁端部、肘板端部的位移曲线如图9所示。

可知，初步方案中壁板中点在压力超过2.01倍工作压力后位移迅速增大，此时主梁对壁板的支持作用减弱，结构开始整体失效。而优化方案中，超过2.06倍工作压力后壁板中点位移才迅速增大，由此说明优化方案中新增的肘板及肋骨对结构整体极限强度有一定的增强作用。

将初步方案的中主梁端部应力集中点、优化方案的中主梁肘板应力集中点、初步方案和优化方案的跨中点的正应力变化曲线进行汇总，形成如图10所示的应力随压力变化的曲线。可知，虽在1.28倍工作压力时，优化方案中肘板应力集中点的正应力已达到下屈服应力，但随着计算压力的增大，该应力值保持平稳，并从1.28～2.06倍工作压力的区间内，该应力值保持在650 MPa附近，未快速增长。同时图9中从开始至2.06倍工作压力区间内，肘板端部的位移保持稳定，并未发生位移突变，由此说明整体结构失效并非由该处肘板结构失效引起，失效原因需进一步分析。

潜艇舱壁主梁的破坏主要有2种形式^[12]，包括主梁形成二铰机构或三铰机构。优化方案在典型压力状态，即1.85倍、2.06倍和2.60倍工作压力时主梁塑性应变状态如图11所示。1.85倍工作压力时I主梁出现贯穿的塑性区域，开始形成二铰机构。2.06倍工作压力时，中主梁均形成二铰机构，主梁对壁板的支撑作用开始失效，这与图9中超过2.06倍工作压力后舱壁中点的位移值开始急剧增大情况相符。而2.60倍工作压力时，I主梁贯穿的塑性区域达到材料抗拉极限，I主梁破坏，结构完全失效。由此可以说明，I主梁中边缘开设的人孔对主梁极限强度影响较大，是整体结构中最薄弱部位，应进行适当加强，此外主梁中部强度较大，直至破坏也未形成塑性区域，相较于主梁最适宜的三铰机构，该区域存在一定的轻量优化空间。

另一方面，从开始至2.60倍工作压力区间内，肘板的塑性区域始终限定在肘板与肋骨相接的1/4面积内，肘板内并未形成贯穿的塑性铰，结合本结构的失效是主梁形成二铰机构引起，由此可以说明肘板区域的应力集中不会对结构整体极限承载产生过大影响。

3 结　语

1）相对于采用压力容器规范，采用潜艇设计规范，参考首端平面舱壁结构形式，对总段液压试验用泵水封头进行设计和校核，更适用于潜艇泵水封头大直径、大压力、循环次数较低的特点。

2）本文采用的泵水封头结构形式满足潜艇规范的要求，同时通过在封头壁板与圆筒连接区设置弧形肘板，能有效减小壁板边缘应力集中现象，提升封头极限强度。针对肘板内部分应力集中区域，若未形成贯通的塑性区域，则不会对封头极限强度产生较大不利影响。实际使用中应关注该部位塑性变形，同时定期对该部位进行无损探伤检测，监控裂纹的产生。

3）主梁跨中区域始终未出现塑性变形区域，强度余度较大，但边缘区域的人孔对极限强度具有一定的不利影响，后续中可采取适当措施，优化主梁跨中区域结构并加强边缘人孔区域，可增大极限承载能力并减轻结构整体重量。