第七章板殼結構在船舶工程的應用第一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四1潛水器耐壓殼體的結構形式潛水器的耐壓殼體是潛水器浮力的主要提供者。耐壓殼體的重量一排水量比(W／D)小，潛水器就能提供較大的有效載荷，亦可減小潛水器的總重量。決定耐壓殼體的重量一排水量比的主要因素除材料外，就是耐壓殼體中的應力和失穩時的臨界壓力。第二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四從應力的角度來看，球形殼體最好，因為它的薄膜應力只有圓柱形殼的一半。所以，對于工作深度大于800m的潛水器，其耐壓殼體大多采用球形，這樣可獲得最小的重量一排水量比值。

對于工作深度小于800m的潛水器，其耐壓殼大多采用圓柱殼。這是因為對工作深度在800m以內的潛水器來說，根據應力決定的球形殼體的厚度很小，這時耐壓殼體的強度可以滿足，而穩定性要求往往不能滿足。為此，必須加厚球殼的厚度。這樣，球殼受力狀態比圓柱殼優越的特點就不很明顯，甚至球殼的重量一排水量比大于圓柱殼，因為圓柱殼的失穩壓力可通過適當調節肋骨間距來達到。第三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四目前，潛水器所采用的耐壓殼體結構形式大多為如圖所示。第四頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四

球形耐壓殼體就重量而言是最輕的結構形式，其空間利用率也最低；而筒形殼體雖能有效地利用內部空間，但重量一排水量比值W／D卻沒有球形殼體低，當工作深度增加時，圓筒必須用肋骨加強，這樣就使重量增大，W/D比值提高。表l—l列出了球體直徑為2.4m時，各種結構形式所具有的W/D值。表l一2給出了三種基本結構形式各自的優缺點。值得注意的是如果耐壓殼體采用輕質材料，則可以在較低W／D值或相同W／D值下，使潛水器具有較大的作業深度。第五頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四第六頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四第七頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四2潛水器耐壓殼體的材料耐壓殼體材料有金屬和非金屬兩類。在選擇潛水器的殼體材料以及它們的焊接或連接材料時，必須考慮下列因素：腐蝕——在潛水器的使用環境中，由于受化學或電化學作用，會使金屬腐蝕。應力腐蝕破裂——在裂紋和拉應力的聯合作用下由于塑變擴大而破壞。低周疲勞——當材料受到幅值小于拉伸強度的波動應力作用時會產生疲勞性破壞（低周是指壓力波動次數小于十萬次的情況）。蠕變——在應力作用下，材料隨時間而產生的塑性變形(即結構的尺寸和形狀發生永久變形)。第八頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四消除應力后材料的變脆性——當把金屬材料加熱到適當溫度，然后讓其慢慢冷卻以消除殘余內應力時，材料的正常延展性降低。脆裂——某些材料在低溫下，很少或沒有塑性變形而產生裂紋。比強度——材料的強度限與密度之比。比剛度——材料的彈性模量與密度之比。屈強比——材料的屈服限與強度限之比。沖擊韌性——材料抵抗沖擊的能力。高延展性——不使材料產生裂紋的塑性變形能力。斷裂韌性——殼體在產生貫穿裂紋的區域，發生塑性變形但不使裂紋有大的擴展而造成破壞的能力。可焊性——金屬材料在適當條件下對焊接的適應性。可成型性——金屬材料通過塑性變形使其成形的方便性。第九頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四對于所選用材料，其研制成本和材料是否容易獲得，具有同等的重量性。潛水器的耐壓殼材料有鋼、鋁、鈦、丙烯酸塑料，玻璃和木材。然而，絕大部分耐壓殼體(約90％左右)都采用鋼。這主要是因為設計者和制造者對鋼的性能有較全面的了解，而且對于鋼在海洋環境下的應用已積累了豐富的經驗。

鈦合金具有良好的機械性能在海水中抗腐蝕能力強且無磁性。但由于其造價高、加工復雜(包括焊接)，因而應用受到限制。相信隨著鈦合金機械性能的進一步完善，加工工藝的改進和費用的降低，鈦合金將被廣泛用來制造耐壓殼、容器、浮筒和潛水器的其它殼體構件。第十頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四具有比強度高的鋁合金，可用來制造大深度工作潛水器的耐壓殼，但鋁合金耐壓殼的造價大大地高于鋼質殼體。高強度鋁合金的缺點是焊接性能差，與等強度的鋼和鈦合金相比較，這個問題使制造焊接部件明顯地復雜化。

增強塑料廣泛地用來建造小深度工作潛水器的耐壓殼體，以及在各種深度工作的潛水器的非耐壓殼體。可以認為矽酸鹽玻璃、丙烯塑料和陶瓷是很有發展前途的材料。由于缺乏可靠的堅固性和同相鄰部件的連接性，這些材料暫時都受到使用上的限制。軟鋼、鋁合金和玻璃鋼可作為制造非耐壓殼的材料。第十一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四3潛水器艇體上的受力

潛水器在使用過程中，艇體會受到各種外力的作用。外力按其性質可分為兩類：靜力和動力。

靜力包括艇體及各種設備的重力、靜水壓力等；

動力包括波浪沖擊力、機械工作時由于不平衡產生的慣性力、碰撞力等。在潛水器結構設計中，主要以靜力作用作為結構強度計算的依據。至于動力強度只是在靜力強度計算的基礎上作某些校核。第十二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四1）潛水器在深水中的受力情況

潛水器處于水下狀態時，作用在艇體上的外力有：深水靜壓力和重力。但各段上因重力和浮力不一致而產生的剪力、彎矩所決定的應力相對于深水壓力決定的應力是很小的，因此可以忽略不計。

靜水壓力是由耐壓艇體承受的，為了研究作用在艇體上的靜水壓力的大小，從耐壓艇體長度方向取出單位長度的單元來看，在此單元上，壓力分布沿高度方向成線性變化，其作用壓力分為兩個部分。第十三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四第十四頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四第十五頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四

由于R／h是一個小量，通常忽略p1的影響，又由于—般潛水器耐壓艇體均較短，固縱傾而使得深水壓力沿艇縱向的小量變化，也可忽略不計。這樣，潛水器在深水中的受力，相當于耐壓艇體受到一個均勻載荷，其值等于耐壓艇體軸線至自由水面高度的水柱壓力，即第十六頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四4耐壓艇體計算載荷的確定

工作深度hg是指潛水器在正常使用過程中所能達到的最大深度。在此深度上，潛水器能作任意次的、長期的停留而不引起耐壓艇體產生永久變形。

極限深度hjx是指潛水器能下潛的最大深度。在此深度上，潛水器只能作有限次的、短時間的停留。

通常工作深度為：第十七頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四

在設計計算耐壓艇體強度時考慮了一定的強度儲備即以比極限深度更大的深度作為計算依據，此深度稱為計算深度，用hj表示。相應于計算深度下的靜水壓力稱為計算載荷，用pj表示。計算結構強度時考慮在載荷中的強度儲備通常用安全系數K來表示，因此計算深度與極限深度的關系為：

第十八頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四

下圖為潛水器的工作深度、極限深度和計算深度的關系示意圖。

第十九頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四

安全系數K要考慮所有強度計算中沒有考慮的、影響艇體強度的各種因素。其中有些因素對艇體強度的影響目前尚不能定量地確定，如材料屈強比對艇體強度的影響，殘余應力對強度的影響等。有些因素是隨機變化的，比如殼板實際厚度與名義厚度的偏差，材料實際屈服強度與計算時應用的屈服強度的偏差等。有些因素則是人為的，如航行過程中的超深。總之確定安全因素K是—項很復雜的工作，但主要應考慮下列幾方面的因素：第二十頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四

1．材料方面的影響材料方而的影響通常包括兩個方面：(1)材料幾何尺寸的偏差。目前的計算規則中，耐壓殼板的計算厚度t和名義厚度t0有如下的統一規定：在安全系數中不再考慮由材料幾何尺寸的偏差引起的影響。第二十一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四(2)機械性能方面的影響

在強度計算中，σs、E、μ一般都取材料試驗的最低值，因此是偏于安全的。但隨著潛水器下潛深度的增加，高強度鋼材的采用，σs／σb的提高，這些對結構的抗爆能力及低周疲勞是不利的，因此在安全系數中應該考慮這些不利因素。

第二十二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四2．設計計算公式的可靠性

在“潛水器強度計算規則”中所采用的強度和穩定性計算公式，一般都是經過大量的實物和模型試驗證明是可靠的，因此安全系數中可以不考慮其影響。

第二十三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四3．施工制造方面的影響

殘余應力對艇體強度的影響，一般情況下總是不利的，目前還不能用計算方法來確定它的影響。

如殼板與肋骨的不圓度、圓柱耐壓殼的肋骨位置偏差、焊縫的局部變形等。這些偏差都會員響結構的強度，因為加工工藝水平達不到這樣的要求，所以只能限制在加工工藝可能達到的最小偏差范圍，這就要求在安全系數K中充分考慮到這些偏差對強度的影響。

第二十