耐壓殼的案例
臺(tái)灣自造潛艇有那么難嗎？
這種潛艇實(shí)際上是借鑒了美國“長頜須魚”級(jí)常規(guī)潛艇的技術(shù)：拉長水滴造型、一體成型的高強(qiáng)度耐壓殼、單螺旋槳推進(jìn)、十字型尾舵等。
這還僅僅是潛艇構(gòu)造上的，一艘真正意義的現(xiàn)代常規(guī)潛艇，還包括靜音發(fā)電機(jī)、高效能的電池組、主/被動(dòng)探測(cè)聲納陣、雷達(dá)、武器、作戰(zhàn)系統(tǒng)以及漸成標(biāo)配的“不依賴空氣循環(huán)”動(dòng)力（AIP）等等，幾乎全部都是定制的子系統(tǒng)。
潛艇不僅僅是現(xiàn)在臺(tái)灣那樣造出6個(gè)船艙分段，而是一個(gè)龐大的產(chǎn)業(yè)供給，需要很多專門的、不掙錢的科研機(jī)構(gòu)來支持。
▲“長頜須魚”級(jí)潛艇是戰(zhàn)后美國第一級(jí)常規(guī)潛艇也是最后一級(jí)，是水滴艇型的引領(lǐng)者，后來荷蘭的“旗魚”級(jí)、日本的“渦潮”級(jí)都以其為藍(lán)本。
事實(shí)上就是“旗魚”級(jí)潛艇在材料和子系統(tǒng)上也不能完全自給，但是荷蘭作為北約成員國可以從美國引進(jìn)重型魚雷、德國的光/聲學(xué)探測(cè)系統(tǒng)；而臺(tái)灣在這方面是既沒有自研能力，也不可能有廣泛的供貨渠道，更別說全球能生產(chǎn)這些設(shè)備的廠家都數(shù)得過來，在當(dāng)前的環(huán)境下誰愿意冒天下之大不韙給臺(tái)灣供應(yīng)軍火？
▲現(xiàn)代潛艇上的綜合光電桅桿已經(jīng)不是簡單的凸透鏡了，涉及光學(xué)信號(hào)采集、紅外/熱成像等一體的設(shè)備，其中德國蔡司就是這種鏡頭的生產(chǎn)商之一。
就是目前臺(tái)灣國際造船股份有限公司已經(jīng)完成了6個(gè)分段也有很大的水分：
首先現(xiàn)代潛艇最低檔次也得是HY-80級(jí)別的高強(qiáng)度合金鋼作為耐壓殼材料，能生產(chǎn)這種冷鍛鋼的全球就那幾個(gè)工業(yè)強(qiáng)國。美國人可能會(huì)偷偷提供材料，但不可能幫臺(tái)灣加工，光是耐壓殼塑形的工藝就比鋼材制造還難！從臺(tái)灣廠家透露的進(jìn)度來看，雖然沒有明言，但指向的問題極有可能是各個(gè)分段因誤差過大無法結(jié)合...
▲潛艇耐壓殼分段的加工精度要求極高，稍有一點(diǎn)誤差都可能導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。
展開 潛艇的舾裝有什么特別之處？
因?yàn)樗械臐撏ВǔＲ?guī)艇和非常規(guī)艇，都有厚實(shí)的耐壓殼，耐壓殼合攏以后，是不允許再隨便二次切割和表面開口的。因?yàn)槟呐露嘁粋€(gè)新開口，都會(huì)降低潛艇成型后的整體耐壓性。而現(xiàn)代水面艦船都是薄皮大餡，普通驅(qū)逐艦的外殼只有1到1.5厘米厚度的鋼板，即使10萬噸航母的船體最外殼鋼板，也不過是3到3.5厘米厚。因此所有水面艦艇，包括航母，舾裝期間如果發(fā)現(xiàn)問題，都可以臨時(shí)切割船體外殼，解決問題后再二次焊接封閉。但是潛艇原則上則不允許隨便這么做。還有一個(gè)很大的不同，就是舾裝期間的水面艦船，可以有很多臨時(shí)通風(fēng)口，中間插入大量的臨時(shí)通風(fēng)管方便內(nèi)部施工。但是潛艇在舾裝期間，
就只有1到2個(gè)固定的對(duì)外出入口可以利用。這樣潛艇在舾裝期間，原則上已經(jīng)不允許再進(jìn)行內(nèi)部的動(dòng)火、打磨產(chǎn)生粉塵或者油漆類的作業(yè)。只能進(jìn)行一些沒有污染或者火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的電器安裝和精密設(shè)備的安裝調(diào)試。因此潛艇的舾裝其實(shí)大部分是預(yù)舾裝。但是非常規(guī)潛艇有一項(xiàng)舾裝作業(yè)非常特殊，不但必須在舾裝期間完成，而且還需要切割頂部耐壓殼，然后再二次焊接封閉。這就是舾裝期間進(jìn)行特殊動(dòng)力系統(tǒng)的裝堆和啟堆。考慮到生產(chǎn)期間的安全性，幾乎所有的非常規(guī)艇，都不會(huì)在廠房合攏期間裝堆，這個(gè)危險(xiǎn)工序必須在舾裝碼頭上進(jìn)行。還必須有完整的陸地預(yù)裝堆廠房進(jìn)行配套作業(yè)。這也許是非常規(guī)艇舾裝工序中最復(fù)雜和要求最高的部分。
本文來自：瀚海狼山
展開 中國核潛艇在全球是什么水平？
093改型外觀最大的改變，是指揮臺(tái)圍殼長度有所增加，高度有所降低，取消了雞肋的觀察窗，為減少水下阻力、減少噪音在圍殼前部和結(jié)合部增加了填角。指揮臺(tái)后部有一小部分凸起，如果從遠(yuǎn)處觀察不仔細(xì)看可能覺察不到，這部分可能是潛射巡航導(dǎo)彈的垂發(fā)裝置，也有人猜測(cè)是新型核反應(yīng)堆較高導(dǎo)致。
094改型則沒有明顯的差別，其巨大的龜背依然是最明顯的標(biāo)志，兩邊依然是一百多個(gè)直徑大小不一的排水孔，這會(huì)大大增加其在航行中的噪音和阻力。雖然094在低速航行的過程中，其潛艇噪音還是以艇身內(nèi)部的機(jī)械噪音為主，但一旦高速航行起來，這就是巨大的噪音，在面對(duì)敵方靜音性能極佳的攻擊型核潛艇的時(shí)候，這是非常危險(xiǎn)的。
聊感安慰的是，094改型裝載了”巨浪”2型潛射核導(dǎo)彈，其射程達(dá)7400公里，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了092型攜帶的射程只有3000公里的”巨浪”1型。”巨浪”2型還能攜帶分導(dǎo)彈頭，總體性能要遠(yuǎn)超”巨浪”1型，因此094改型雖然多有不足，但畢竟使中國擁有較為可靠的核反擊能力。
由于”巨浪”彈道導(dǎo)彈的體型過于巨大，導(dǎo)致不管是092型還是還是094型背后都有巨大的龜背。但也有人表示，這是因?yàn)橹袊藵撏?em>耐壓殼的制造技術(shù)不過關(guān)，無法制造直徑更大的耐壓殼，所以只能為突出的”巨浪”導(dǎo)彈加裝一個(gè)巨大的整流罩。
整體上看，094改型僅僅超過俄羅斯D-4型核潛艇，落后于美國”俄亥俄”級(jí)、俄國”北風(fēng)之神”級(jí)、法國”凱旋”級(jí)以及英國的”前衛(wèi)”級(jí)。中國需要跨越式的發(fā)展，否則難以跟上世界核潛艇技術(shù)的前進(jìn)腳步。
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▲Р-39型三級(jí)固體燃料潛射洲際彈道導(dǎo)彈
為了搭載這一型重達(dá)90噸的潛射固體燃料彈道導(dǎo)彈，蘇聯(lián)設(shè)計(jì)師創(chuàng)造性地打破了世界各國在彈道導(dǎo)彈核潛艇方面幾乎千篇一律的結(jié)構(gòu)形式和總布置思想，別出心裁地將941型重型彈道導(dǎo)彈核潛艇的武器部分（導(dǎo)彈艙和魚雷艙）全部置于指揮臺(tái)圍殼之前，而圍殼之后則為動(dòng)力部分。
這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)順利地解決了以往潛艇在工程設(shè)計(jì)上的一些問題，比如耐壓艇體的最大直徑限制、導(dǎo)彈儲(chǔ)存的安全性問題、設(shè)備和系統(tǒng)的最佳布置方案、龜背對(duì)噪聲和航行的影響等，同時(shí)也滿足了海軍關(guān)于潛艇穩(wěn)定性、航行性能、操縱性和隱蔽性的要求。
02
“臺(tái)風(fēng)級(jí)”核潛艇擁有長170米，寬23.3米寬的偉岸身軀。水面排水量約為23200噸，水下排水量為48000噸。在潛艇結(jié)構(gòu)上，西方國家多采用單殼體構(gòu)造，而蘇聯(lián)采用了雙殼體構(gòu)造。為了能裝載R-39導(dǎo)彈，蘇聯(lián)人潛艇設(shè)計(jì)師在潛艇里“塞”進(jìn)了多個(gè)鈦合金制成的小耐壓艇體，形成了罕見的“非典型雙殼體構(gòu)造”。其中，耐壓艇體共有5個(gè)，分為19個(gè)艙室，全部由鈦合金制成。
這樣做的好處是：彌補(bǔ)當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)大直徑耐壓艇體加工能力不足，這一問題主要是由大型卷板機(jī)造成的。據(jù)稱，美國“俄亥俄級(jí)”是采用了瑞典的大型卷板機(jī)，才制成了直徑12.8米的耐壓殼（臺(tái)風(fēng)級(jí)的耐壓殼直徑只有7.2米）。蘇聯(lián)當(dāng)年也想向瑞典借，只不過遭到了無情的拒絕。
艇艏耐壓艇體，它是“臺(tái)風(fēng)級(jí)”核潛艇的魚雷倉，共有6具533mm魚雷發(fā)射管（有英文材料認(rèn)為是4具533和2具650的搭配，）、22枚各式魚雷武器，以及配套的裝填裝置。艇艏耐壓艇體的下方裝備的是聲吶系統(tǒng)。
后方則是左右并列的兩個(gè)主耐壓艇體，而體型碩大的R-39型潛射導(dǎo)彈，就并排架在兩個(gè)耐壓艇體中間，數(shù)量達(dá)到了20枚，比對(duì)手“俄亥俄級(jí)”的24枚略少。
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所謂的單殼體和雙殼體潛艇，主要是這樣的：單殼體潛艇的艇體由耐壓殼體組成，在耐壓殼體外沒有包覆物，耐壓艇體直接裸露在外。雙殼體潛艇的耐壓艇體全部被耐壓和非耐壓的外殼體所包覆，這層外殼除了在舯部有一段是耐壓的（耐壓液艙），其余都是非耐壓的輕外殼。單殼體潛艇的主要優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、水下快速性好、下潛速度快、艇表開口少艇體光順度好、聲反射面積小隱蔽性好，中國和俄羅斯過去的潛艇主要以雙殼體為主，而歐美主要以單殼體為主，雖然雙殼體也有儲(chǔ)備浮力大的優(yōu)點(diǎn)，但現(xiàn)在先進(jìn)潛艇的發(fā)展方向基本是以歐美潛艇發(fā)展為主要標(biāo)桿，因此俄羅斯基于拉達(dá)級(jí)潛艇開始試驗(yàn)單殼體結(jié)構(gòu)，而中方也有相同想法，所以目前中俄的合作方向有個(gè)共同性，都是向單殼體方向發(fā)展。
目前俄羅斯限于經(jīng)費(fèi)拮據(jù)，677型潛艇的發(fā)展不明朗，而中國近年來對(duì)新一代潛艇的發(fā)展有迫切需求，所以在677型上合作是一拍即合，而且就在677型潛艇的合作上來說，中俄雙方的出發(fā)點(diǎn)并不是完全相同，中方想獲得的是單殼體的技術(shù)竅門，而俄羅斯也希望通過中方充沛的資金，一舉拿下677型潛艇的量產(chǎn)，相信不久后我們會(huì)看到新一代的單殼體常規(guī)AIP小堆潛艇，并將這一結(jié)構(gòu)延續(xù)到之后的國產(chǎn)核潛艇上！End！（利刃/時(shí)雨）
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展開 中國新型潛艇突然亮相，外形獨(dú)特；是海軍自用還是出口？
雙殼體潛艇的特征是耐壓艇體由一層完整的外殼（大部分為非耐壓結(jié)構(gòu)）所包覆。
這種結(jié)構(gòu)的潛艇雖然在抗毀性與儲(chǔ)備浮力方面有一定優(yōu)勢(shì)，但也存在排水量偏大，導(dǎo)致阻力和噪音過大的弊端。
而且在水下噸位相同的情況下，雙殼體潛艇的耐壓艇體容積比單殼體潛艇小得多。加微信 geyr01 看更多內(nèi)幕好文！
與雙殼體潛艇相比，單殼體潛艇的艇體全部由耐壓殼組成，其優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)比較簡單，水下性能與隱蔽性更好，耐壓艇體的容積更大，且更適合淺海作戰(zhàn)，缺點(diǎn)是制造與設(shè)計(jì)難度較高，尤其是對(duì)材料要求較高。
由于我國近海海域的水深較淺，因此單殼體潛艇顯然更符合于我國的國情，也是今后國產(chǎn)潛艇發(fā)展的方向。
那么，這艘新型潛艇究竟是解放軍自用，還是專供外貿(mào)出口呢？
筆者認(rèn)為，從目前已有的信息判斷，該艇自用的可能性不大。
首先，就單殼體設(shè)計(jì)來說，最早就是出現(xiàn)在外貿(mào)潛艇上的。這樣做一方面是為了提升潛艇的部分性能，另一方面也可以順便進(jìn)行技術(shù)探索，為未來的國產(chǎn)單殼體潛艇積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。
本文開頭提到過，該潛艇的外形與用于外貿(mào)的MS200型潛艇十分相似，因此不排除二者有某種技術(shù)層面的聯(lián)系。
其次，這種噸位較小，性能有限，缺點(diǎn)和特點(diǎn)都很鮮明的潛艇并不符合中國海軍當(dāng)下的需求。
中國海軍的主要作戰(zhàn)對(duì)象是在第一島鏈附近活動(dòng)，且具有相當(dāng)海上軍事力量的強(qiáng)敵。
也就是說中國海軍需要的是一款像039B/C這樣綜合性能強(qiáng)大，且更加注重反艦與反潛能力的中型常規(guī)潛艇，而非這種排水量僅有幾百噸，更偏向于多用途（偵察、監(jiān)視、巡邏、特種作戰(zhàn)任務(wù)）的小型潛艇。
這種“樣樣通，樣樣松”的“萬金油”型潛艇其實(shí)更適合在小國作為主力潛艇使用，并不適合在高烈度的海戰(zhàn)中執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)。
事實(shí)上，中國近些年曝光的新型潛艇可謂是五花八門，層出不窮。
展開 基于聲固耦合的水下復(fù)雜目標(biāo)聲散射研究
圖12 潛艇橫切面模型
所建立模型直徑8 m, 外殼以及支撐桿為不銹鋼耐壓殼, 厚度為1 m, 內(nèi)殼為鈦合金材料, 材料屬性同上文。對(duì)比水平方向角0°與90°的聲散射仿真結(jié)果如圖13所示。
圖13 水平方向角0°與90°的聲散射仿真結(jié)果
由圖13可以發(fā)現(xiàn), 在以90°水平角入射時(shí), 也就是在正橫方向, 對(duì)更多低頻的信號(hào)響應(yīng)明顯, 且散射聲強(qiáng)加大, 結(jié)構(gòu)之間相互影響力增加。
3 結(jié)束語
文中通過ANSYS和COMSOL針對(duì)同一模型的仿真對(duì)比, 驗(yàn)證了COMSOL在復(fù)雜形狀目標(biāo)數(shù)值仿真方面仍能保持有效性。隨后利用COM- SOL的PML以及多物理場耦合模塊仿真了大尺度下的精細(xì)艙室結(jié)構(gòu)潛艇模型, 并與單殼體潛艇模型進(jìn)行對(duì)比, 說明了艙室結(jié)構(gòu)相對(duì)于單殼體在受迫振動(dòng)上有一定的抑制作用且對(duì)于低頻激勵(lì)響應(yīng)比較強(qiáng)烈, 為主動(dòng)探測(cè)設(shè)備發(fā)展以及潛艇消聲提供了一定啟示。當(dāng)然, 文中建立的仿真模型包括設(shè)立的PML只是為仿真潛艇艙室結(jié)構(gòu)下的近場聲場環(huán)境。針對(duì)目標(biāo)的遠(yuǎn)場聲場可以利用COMSOL自帶遠(yuǎn)場計(jì)算模塊來計(jì)算自設(shè)條件下的遠(yuǎn)場聲場, 如何在復(fù)雜環(huán)境參數(shù)包括環(huán)境噪聲以及混響下仿真目標(biāo)的遠(yuǎn)場回波情況將是下一步工作的重點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
[1] 孫乃葳, 李建辰, 萬亞民, 等. 基于改進(jìn)板塊元法的潛艇目標(biāo)強(qiáng)度預(yù)報(bào)仿真[J]. 魚雷技術(shù), 2016, 24(4): 254-259.
Sun Nai-wei, Li Jian-chen, Wan Ya-min, et al.
展開 ANSYS的焊接參數(shù)對(duì)其溫度場的影響分析
某核電站控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(CRDM )耐壓殼上部Ω環(huán)連續(xù)兩年都出現(xiàn)了泄漏，并在檢修期間進(jìn)行焊接修復(fù)。
焊接公司委托美國公司對(duì)修復(fù)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)分析和評(píng)定。焊接殘余應(yīng)力的有限元計(jì)算是關(guān)鍵技術(shù)之一，也是難點(diǎn)。
通過本課題的研究，掌握有限元模擬焊接過程及殘余應(yīng)力計(jì)算，能夠提高我國焊接修復(fù)工程缺陷的分析能力，優(yōu)化不符合項(xiàng)的處理程序，達(dá)到既節(jié)約時(shí)間和資金又滿足工作性能和安全性能的目的。
有限元生死單元是指在模型加載過程中的某一指定時(shí)間，控制單元的生死選項(xiàng)，以實(shí)現(xiàn)在此指定時(shí)間內(nèi)結(jié)構(gòu)的“存在”或“不存在”。
單元生死選項(xiàng)并非真正的刪除或重新加入單元，死單元在模型中依然存在，但其單元載荷、質(zhì)量、阻尼、比熱等為0。死單元的質(zhì)量和能量將不包括在模型求解結(jié)果中。
若使單元重生，即在前處理器中激活它們，單元特性就建立了，這樣就能實(shí)現(xiàn)焊接過程中原不生效的熔融材料變?yōu)樯У哪Ｐ腕w的一部份。
在ANSYS 程序中，單元類型PLANE55 (熱單元)和PLANE182 (結(jié)構(gòu)單元)都支持單元生死功能，將分別應(yīng)用于溫度場計(jì)算和應(yīng)力計(jì)算分析中。單元生死分別用EALIVE 和EKILL 命令執(zhí)行，并打開分析選項(xiàng)中的完全牛頓-拉佛森(full Newton-Raphson )方法，將得到較好的非線性計(jì)算收斂結(jié)果。
利用有限元生死單元技術(shù)既可模擬焊接過程中的堆焊部分，分別加載能量進(jìn)行溫度場計(jì)算達(dá)到模擬焊接的整個(gè)過程。
分析時(shí)首先建立有限元模型，見圖4，平面單元均為PLANE55 (熱單元)，接觸單元用CONTA171 (接觸元)和CARGE169(目標(biāo)元)，其捏合壓力為1.8Pa(2.62E-4ksi)，摩擦系數(shù)為0.5。
超聲波技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于金屬、塑料焊接工藝中。
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▲亞森級(jí)核潛艇多角度視圖
亞森級(jí)為俄羅斯研發(fā)的第五代多用途攻擊型核潛艇，用于替代著名的阿庫拉級(jí)，最初是將美海軍海狼級(jí)作為假想敵研發(fā)（現(xiàn)已改為針對(duì)弗吉尼亞級(jí)），全長139米，全寬13米，水下滿載排水量1.38萬噸，采用鈦合金雙（耐壓）殼艇體設(shè)計(jì)，極限下潛深度580米。
該級(jí)潛艇配備一座KTP-6壓水堆，最大輸出功率200兆瓦，單軸推進(jìn)，水下最大航速35節(jié)，推進(jìn)系統(tǒng)采用新型七葉大側(cè)斜螺旋槳，可有效消除水下航行時(shí)的空泡噪音，增強(qiáng)隱蔽性。
亞森級(jí)的武器系統(tǒng)包括10具重型魚雷發(fā)射管（8具650毫米+2具533毫米，左右兩側(cè)各布置5具，僅有首艇“北德文斯克”號(hào)采用此配置，2號(hào)艇“喀山”號(hào)之后全部減為8具），可用于發(fā)射53-65K型533毫米尾流自導(dǎo)重型魚雷（可自動(dòng)跟蹤大型水面艦艇航行后留下的尾流，抗干擾能力較強(qiáng)），水下最大射程18公里，最大航速45節(jié)。
▲亞森級(jí)核潛艇試射“口徑”巡航導(dǎo)彈。
除魚雷外，亞森級(jí)還配備有模塊化垂發(fā)導(dǎo)彈系統(tǒng)（VLS），常用配置包括10座5聯(lián)裝“口徑”巡航導(dǎo)彈單元（共50枚），可以發(fā)射射程達(dá)500公里的“口徑”巡航導(dǎo)彈，打擊敵軍陸上要害目標(biāo)，也可根據(jù)作戰(zhàn)需要更換為8座四聯(lián)裝“縞瑪瑙”超音速反艦導(dǎo)彈單元（共32枚），用于摧毀300公里外的敵軍大型水面戰(zhàn)艦。
▲俄軍亞森級(jí)核潛艇發(fā)射魚雷CG效果圖
由于水下靜音性能較強(qiáng)，外加配置有較為兇殘的火力系統(tǒng)（綜合作戰(zhàn)性能強(qiáng)于阿庫拉級(jí)），西方媒體將俄軍亞森級(jí)核潛艇綽號(hào)為“美海軍最大噩夢(mèng)”。俄軍未來計(jì)劃列裝7艘亞森級(jí)潛艇（第七艘“烏里揚(yáng)諾夫斯克”號(hào)已于2017年7月開工，預(yù)計(jì)將于2023年服役），組成新一代水下主力艦隊(duì)對(duì)抗美軍核潛艇。
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