一种变截面等刚度耐压壳体环形肋骨结构

1.本发明属于潜航器耐压壳体应用领域，尤其涉及一种变截面等刚度耐压壳体环形肋骨结构。


背景技术：

2.耐压壳体是潜航器不可或缺的结构之一，其承载能力与内部空间利用率是衡量结构性能优劣的重要指标。使用环形加筋的方式能够显著提高耐压壳体的承载能力，但另一方面，绝大多数设备均为方形或者其他多边形截面结构，其边缘或边角主要通过连接在肋骨进行固定，为简化连接结构，缩短固定点与中心距离，以保证设备或结构能够稳定固定，需要使连接点尽可能靠近设备，同时为加强潜航器整体强度，降低承压，应当尽可能的缩小壳体包括肋骨外径尺寸，因此在潜航器内部结构设计过程中，环形肋骨的一般优先与所在位置处最大设备截面外轮廓的外接圆尺寸对应，这种情况导致环形肋骨的最小尺寸受限，当锁在位置设备体积较大时，设备的固定性能与潜航起的外尺寸优化难以兼顾，在实际工程应用中，主体设备基本截面基本呈矩形，圆内接矩形的方式会导致较大的空间浪费。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于，提供一种能够有效加强潜航器内部设备固定效果的同时，压缩环形肋骨尺寸，进而控制潜航器整体尺寸的变截面等刚度耐压壳体环形肋骨，同时提供其设计优化方法，以期解决耐压壳体内部设备尺寸与结构尺寸及空间利用矛盾的问题。
4.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
5.一种变截面等刚度耐压壳体环形肋骨结构，包括若干呈环形阵列设置的弧形连接段1以及设于弧形连接段1之间的若干支撑段2；
6.所述弧形连接段1截面呈工字型，包括呈弧形且同轴设置的面板10和搭接板11以及位于面板10和搭接板11之间的腹板12；
7.所述腹板12内缘与面板10外侧壁面表面连接，外缘与搭接板11内侧避免连接，左右边缘分别与支撑段2连接；
8.所述支撑段2厚度不低于弧形连接段的厚度，弧形连接段均匀过渡至支撑段2形成变截面过渡区20，所述支撑段2的内侧壁面上挖出有定位槽21。
9.对前述变截面等刚度耐压壳体环形肋骨的进一步改进或者优化，所述弧形连接段1长度一致，支撑段2呈环形阵列均匀设置。
10.对前述变截面等刚度耐压壳体环形肋骨的进一步改进或者优化，所述支撑段2的外表面上设置有辅助定位孔23；所述面板10和搭接板11上设置有连接孔90。
11.对前述变截面等刚度耐压壳体环形肋骨的进一步改进或者优化，所述定位槽21是指沿弧形连接段1轴向挖出的轴向定位槽，或者沿弧形连接段1径向挖出的径向定位槽，或者使轴向定位槽与径向定位槽的组合。
12.对前述变截面等刚度耐压壳体环形肋骨的进一步改进或者优化，所述定位槽21的
槽底或内壁上挖出有定位孔22。
13.一种变截面等刚度耐压壳体环形肋骨设计方法，包括如下步骤：
14.1).收集性能参数，素哟书性能参数包括肋骨临界刚度；
15.2).确定环形肋骨基本结构参数，具体是指：根据耐压壳体或设备尺寸明确肋骨最大设计半径，根据所需要定位或安装的设备类型确定其具体尺寸和所需的安装空间的尺寸；
16.3).确定弧形连接段结构参数参数，具体是指：基于欧拉伯努利梁理论，沿轴线取单位长度耐压壳体作为梁，将环形肋骨视为梁上的弹性支座，建立梁带模型，得到耐压壳体肋骨的抗弯刚度dj和耐压壳体壳板的抗弯刚度db；
17.dj＝e
q1
i1+e
q2i2 1
[0018][0019]
式中：e
q1
和e
q2
分别表示带板梁筋材和带板的等效弹性模量；i1和i2分别表示带板梁筋材和带板对带板梁中性轴的惯性矩；d表示耐压壳体的壳板的厚度；μ为材料泊松比；
[0020]
以耐压壳体的壳板的中性轴为坐标原点，得到板筋刚度比β表达式：
[0021][0022]
式中：b'表示带板宽度；b表示筋材的宽度；h表示筋材的高度；
[0023]
y代表筋材及其带板结构的中性轴高度且
[0024]
定义无量纲量代回式4得到加筋板板筋刚度比表达式：
[0025][0026]b′
是指筋材带板宽度且b表示两根相邻耐压壳体肋骨的水平距离；
[0027]
基于式6绘制加筋板板筋刚度比曲线，根据耐压壳体的板筋刚度比要求查找筋材宽度对应m值，计算筋材的高度h，得到加筋板的筋材初步设计方案；
[0028]
4).确定支撑段基本结构参数，具体是指：取支撑段2高度最小的截面进行设计，根据等刚度原则，调整结构参数使变截面区域肋骨的刚度不低于正常肋骨的刚度。
[0029]
对前述变截面等刚度耐压壳体环形肋骨设计方法的进一步完善或补充，还包括步骤5设计方案细化调整，具体是指：基于有限元仿真进行强度及稳定性校核，若校核不通过，则返回步骤4重新进行调整。
[0030]
其有益效果在于：
[0031]
本发明的变截面等刚度耐压壳体环形肋骨结构采用变截面肋骨与设备机架共型设计，用于海洋航行器的耐压壳体、航空器机身壳体以及其他需要承载的大型设备中，其可以承受单一载荷如轴压，也可以承受多方向载荷联合作用如静水压力，通过此肋骨实现结
构的空间利用率和承载能力的双重提高。
附图说明
[0032]
图1是实施例中变截面潜航器环形肋骨的结构示意图；
[0033]
图2是实施例中变截面潜航器环形肋骨的装配示意图；
[0034]
图3是变截面潜航器环形肋骨的延伸结构示意图；
[0035]
图4是潜航器内部设备安装方式示意图；
[0036]
图5是变截面潜航器环形肋骨安装方式示意图。
具体实施方式
[0037]
以下结合具体实施例对本发明作详细说明。
[0038]
本发明的变截面等刚度耐压壳体环形肋骨结构，基于传统的等截面环形肋骨结构改进设计而来。其特点在于除了包括若干呈环形阵列设置的弧形连接段1意外还包括设于弧形连接段1之间的若干支撑段2；胡星立案阶段1和支撑环2因此连接形成环形肋骨结构。
[0039]
本技术的变截面环形肋骨结构在基础构建以及安装固定方式上与传统的环形肋骨结构相一致，其中弧形连接段1截面呈传统的工字型或延伸而出的t字形等结构，其主要包括呈弧形且同轴设置的面板10和搭接板11以及位于面板10和搭接板11之间的腹板12；
[0040]
其中环形连接段1为常规肋骨区域，其设计参数和尺寸与常规的等截面环形肋骨的设计方式及参数相一致，其中支撑段2为变截面肋骨区域，虽然经过加厚处理，但设置有用于安装固定设备的槽和孔结构，因此其具体结构参数应当基于结构力学进行演算测试以保证承载。
[0041]
其中环形连接段1以及支撑段2的结构材料与传统肋骨一致，一般使用金属或者复合材料。
[0042]
如图1～图3所示，其具体结构如下：腹板12内缘与面板10外侧壁面表面连接，外缘与搭接板11内侧避免连接，左右边缘分别与支撑段2连接；
[0043]
支撑段2厚度不低于弧形连接段的厚度，弧形连接段均匀过渡至支撑段2形成变截面过渡区20，支撑段2的内侧壁面上挖出有定位槽21。
[0044]
定位槽21用于卡接或者对位设备边角或连接结构进行固定，作为优选方式，其结构为沿弧形连接段1轴向挖出的轴向定位槽，或者沿弧形连接段1径向挖出的径向定位槽，或者使轴向定位槽与径向定位槽的组合。
[0045]
同时为便于紧固定位，在定位槽21的槽底或内壁上挖出有定位孔22。
[0046]
为保证各向受力均匀，在优选结构中，弧形连接段1长度一致，支撑段2呈环形阵列均匀设置。
[0047]
为提高设备连接点强度，保证廉洁有效性，在支撑段2的外表面上设置有辅助定位孔23；面板10和搭接板11上设置有连接孔90。
[0048]
为提高前述变截面环形肋骨结构的设计效率，简化设计步骤，以下提供上述结构的设计优化方案，具体包括如下步骤：
[0049]
1).收集性能参数，素哟书性能参数包括肋骨临界刚度；
[0050]
2).确定环形肋骨基本结构参数，具体是指：根据耐压壳体或设备尺寸明确肋骨最
大设计半径，根据所需要定位或安装的设备类型确定其具体尺寸和所需的安装空间的尺寸；
[0051]
3).确定弧形连接段结构参数参数，具体是指：基于欧拉伯努利梁理论，沿轴线取单位长度耐压壳体作为梁，将环形肋骨视为梁上的弹性支座，建立梁带模型，得到耐压壳体肋骨的抗弯刚度dj和耐压壳体壳板的抗弯刚度db；
[0052]dj
＝e
q1
i1+e
q2i2 1
[0053][0054]
式中：e
q1
和e
q2
分别表示带板梁筋材和带板的等效弹性模量；i1和i2分别表示带板梁筋材和带板对带板梁中性轴的惯性矩；d表示耐压壳体的壳板的厚度；μ为材料泊松比；
[0055]
以耐压壳体的壳板的中性轴为坐标原点，得到板筋刚度比β表达式：
[0056][0057]
式中：b'表示带板宽度；b表示筋材的宽度；h表示筋材的高度；
[0058]
y代表筋材及其带板结构的中性轴高度且
[0059]
定义无量纲量代回式4得到加筋板板筋刚度比表达式：
[0060][0061]b′
是指筋材带板宽度且b表示两根相邻耐压壳体肋骨的水平距离；
[0062]
基于式6绘制加筋板板筋刚度比曲线，根据耐压壳体的板筋刚度比要求查找筋材宽度对应m值，计算筋材的高度h，得到加筋板的筋材初步设计方案；
[0063]
4).确定支撑段基本结构参数，具体是指：取支撑段2高度最小的截面进行设计，根据等刚度原则，调整结构参数使变截面区域肋骨的刚度不低于正常肋骨的刚度；
[0064]
5).设计方案细化调整，具体是指：基于有限元仿真进行强度及稳定性校核，若校核不通过，则返回步骤4重新进行调整。
[0065]
本发明的前述变截面等刚度耐压壳体环形肋骨结构及其设计方法为不申请技术方案的基本实施方式，在具体实施过程中，还应当根据当前潜航设备或结构布局的限制和条件进行适应性调整，力图对于常规的柱形潜航器，其内外径尺寸相对一致，但应用之如图4所示的变尺寸潜航器而言，因为其环形肋骨一般设置在最小内经或者最大内径锁在位置，在进行尺寸参数和结构设计的过程中，应当以改类所所在位置的对应结构和设备的参数进行设计。
[0066]
其具体实施效果示意如图5所示，其中r1为当设备的最大尺寸为l时传统的环形肋骨所需要的尺寸，r2为本技术的结构中对应的环形尺寸，相当于将环形肋骨自身厚度作为余量来扩充了设备的安装空间，进而压缩设备整体尺寸。
[0067]
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

技术特征：
1.一种变截面等刚度耐压壳体环形肋骨结构，其特征在于，包括若干呈环形阵列设置的弧形连接段(1)以及设于弧形连接段(1)之间的若干支撑段(2)；所述弧形连接段(1)截面呈工字型，包括呈弧形且同轴设置的面板(10)和搭接板(11)以及位于面板(10)和搭接板(11)之间的腹板(12)；所述腹板(12)内缘与面板(10)外侧壁面表面连接，外缘与搭接板(11)内侧避免连接，左右边缘分别与支撑段(2)连接；所述支撑段(2)厚度不低于弧形连接段的厚度，弧形连接段均匀过渡至支撑段(2)形成变截面过渡区(20)，所述支撑段(2)的内侧壁面上挖出有定位槽(21)。2.根据权利要求1所述的变截面等刚度耐压壳体环形肋骨，其特征在于，所述弧形连接段(1)长度一致，支撑段(2)呈环形阵列均匀设置。3.根据权利要求1所述的变截面等刚度耐压壳体环形肋骨，其特征在于，所述支撑段(2)的外表面上设置有辅助定位孔(23)；所述面板(10)和搭接板(11)上设置有连接孔(90)。4.根据权利要求1所述的变截面等刚度耐压壳体环形肋骨，其特征在于，所述定位槽(21)是指沿弧形连接段(1)轴向挖出的轴向定位槽，或者沿弧形连接段(1)径向挖出的径向定位槽，或者使轴向定位槽与径向定位槽的组合。5.根据权利要求4所述的变截面等刚度耐压壳体环形肋骨，其特征在于，所述定位槽(21)的槽底或内壁上挖出有定位孔(22)。6.一种变截面等刚度耐压壳体环形肋骨设计方法，其特征在于，包括如下步骤：1).收集性能参数，素哟书性能参数包括肋骨临界刚度；2).确定环形肋骨基本结构参数，具体是指：根据耐压壳体或设备尺寸明确肋骨最大设计半径，根据所需要定位或安装的设备类型确定其具体尺寸和所需的安装空间的尺寸；3).确定弧形连接段结构参数参数，具体是指：基于欧拉伯努利梁理论，沿轴线取单位长度耐压壳体作为梁，将环形肋骨视为梁上的弹性支座，建立梁带模型，得到耐压壳体肋骨的抗弯刚度d
j
和耐压壳体壳板的抗弯刚度d
b
；d
j
＝e
q1
i1+e
q2
i
2 (1)式中：e
q1
和e
q2
分别表示带板梁筋材和带板的等效弹性模量；i1和i2分别表示带板梁筋材和带板对带板梁中性轴的惯性矩；d表示耐压壳体的壳板的厚度；μ为材料泊松比；以耐压壳体的壳板的中性轴为坐标原点，得到板筋刚度比β表达式：式中：b'表示带板宽度；b表示筋材的宽度；h表示筋材的高度；y代表筋材及其带板结构的中性轴高度且定义无量纲量代回式(4)得到加筋板板筋刚度比表达式：
b
′
是指筋材带板宽度且b表示两根相邻耐压壳体肋骨的水平距离；基于式(6)绘制加筋板板筋刚度比曲线，根据耐压壳体的板筋刚度比要求查找筋材宽度对应m值，计算筋材的高度h，得到加筋板的筋材初步设计方案；4).确定支撑段基本结构参数，具体是指：取支撑段(2)高度最小的截面进行设计，根据等刚度原则，调整结构参数使变截面区域肋骨的刚度不低于正常肋骨的刚度。7.根据权利要求6所述的变截面等刚度耐压壳体环形肋骨设计方法，其特征在于，还包括步骤5)设计方案细化调整，具体是指：基于有限元仿真进行强度及稳定性校核，若校核不通过，则返回步骤4)重新进行调整。

技术总结
本发明属于潜航器耐压壳体应用领域，尤其涉及一种变截面等刚度耐压壳体环形肋骨结构。包括若干呈环形阵列设置的弧形连接段以及设于弧形连接段之间的若干支撑段；所述弧形连接段截面呈工字型，包括呈弧形且同轴设置的面板和搭接板以及位于面板和搭接板之间的腹板；所述腹板内缘与面板外侧壁面表面连接，所述支撑段厚度不低于弧形连接段的厚度。本发明的变截面等刚度耐压壳体环形肋骨结构采用变截面肋骨与设备机架共型设计，用于海洋航行器的耐压壳体、航空器机身壳体以及其他需要承载的大型设备中，其可以承受单一载荷如轴压，也可以承受多方向载荷联合作用如静水压力，通过此肋骨实现结构的空间利用率和承载能力的双重提高。实现结构的空间利用率和承载能力的双重提高。实现结构的空间利用率和承载能力的双重提高。


技术研发人员：梅志远 付晓 王硕 夏奕 白雪飞 李华东
受保护的技术使用者：中国人民解放军海军工程大学
技术研发日：2023.01.29
技术公布日：2023/5/9