北极低温下潜艇舵杆机械性能分析与改进

陈思余，郭文勇，余 丽，庞凯元

(海军工程大学 动力工程学院, 湖北 武汉 430000)

0 引 言

由于北极对于我国重要的地缘战略地位，极地不仅具有巨大的经济价值，还具有非常重要的军事价值[1]。相较于温区潜艇的工作环境，北极地区自然条件更为恶劣，常年被冰雪覆盖，温度较低，这些极端工况对极地地区服役的潜艇提出了更高的要求。

北极多雾，能见度较低，航道曲折蜿蜒，且随海冰运动变化，潜艇在北极水面航行时，需要经常改变航向以利用冰间水道和薄冰区。冰区航行时潜艇速度较低，舵效降低，潜艇转向变得迟钝[2]。潜艇上浮后主要依赖尾舵进行升降、转向，尾舵杆机构位于耐压壳外、非耐压壳内的非水密区。与耐压壳内不同，舵杆机构将直接暴露在极地环境中。对比温区、热带的航行环境，北极低温、碎冰区航行等特殊工况将对潜艇舵杆机构机械性能带来极大考验，甚至存在舵杆拉断的风险。

本文以某型潜艇舵杆机构为例，通过Solidworks软件建立舵杆机构的三维模型。在–60°C ～ –10°C 的条件下使用Ansys Workbench 静态结构模块对导向拉杆构件进行静力学分析，根据仿真计算结果以及潜艇实际条件提出改进方案。

1 潜艇舵杆机构原理

潜艇舵装置用于控制潜艇的姿态和方向，由舵杆机构和液压舵机组成。北极海域不仅常年低温，而且存在大面积的浮冰，潜艇被迫频繁上浮、下潜、改变航向，这对潜艇舵杆机构的机械性能提出了更高的要求。

1.1 潜艇方向舵

潜艇方向舵用于在水上和水下保持航向和改变航向。潜艇方向舵舵叶位于潜艇尾部，单舵叶结构，上、下端通过舵轴安装在舵轴轴承内部，下端用轴安装于舵根上。其作用是通过舵叶向左或向右摆动，使舵叶表面承受动水压力，产生舵力，及使潜艇向左或向右的旋转力矩，达到控制潜艇航向的目的。驱动方向舵舵叶则需要方向舵杆机构（见图1（a））实现。在耐压壳内的液压舵机对传动杆施加轴向推、拉力，力通过导向装置传递至导向拉杆，拉杆带动舵柄转动，实现舵叶转向。

图1 潜艇舵杆机构Fig. 1 Submarine rudder stock mechanism

1.2 潜艇尾升降舵

潜艇尾升降舵的作用是在潜艇水下航行时与首升降舵一起保持或改变潜艇的深度。在水面航行时，尾升降舵用于驱动潜艇下潜。

潜艇尾升降舵是平衡式非水密舵，整体位于潜艇尾部，双舵叶梯形结构，用轴连接分别固定在潜艇尾部两侧的水平稳定翼上。尾升降舵舵杆机构（见图1（b））用于克服舵杆上的力矩进行操舵。舵杆机构的组成类似于方向舵舵机中机构，某些仅是尺寸上的差别。尾升降舵舵杆机构的工作原理也与方向舵类似。

2 低温对钢结构的性能影响

舵杆机构是一种典型的钢结构。潜艇用钢强度高、均质、塑性、韧性好，但北极低温会对其力学性能产生影响。低温会导致材料的屈服强度和极限强度提高；温度过低会降低材料的韧性，从而造成材料的脆性。

2.1 低温对钢结构机械性能的影响

王元清等[3]对结构钢材进行了低温下的力学性能试验。结果表明，钢材的强度（屈服强度fy和抗拉强度fu）均随温度的降低而提高，塑性指标（断后伸长率 δ和断面收缩率Ψ）随温度的降低而减小，钢材强度增加会带来材料的塑性降低，导致材料的冷脆性。

Farraro[4]在研究钢材弹性模量的温度依赖性问题时发现，大多数材料的弹性模量在某个温度范围内呈线性变化，并提出了线性表达式，用来描述材料在温度影响下的弹性模量变化。

式中：ERT为室温下的弹性模量；bTE为弹性模量随温度变化的斜率；TRT为 室温；T为温度。

目前公开的文献中，没有准确的泊松比随温度变化的公式。林杰俊[5]对合金钢40CrNiMoA 在温度影响下的静力学常数中构造一个线性公式：

式中： μ0为 温度为T0时材料的泊松比；λ为泊松比温度系数。

2.2 钢材低温脆性断裂问题

钢结构构件的设计在强度上一般是以钢的屈服强度作为判断其是否正常工作的力学指标。但是在钢结构构件发生脆性破坏时，其应力常常很低，一般低于钢的屈服强度有时甚至只有其值的0.2 倍[6]。钢结构的低温脆性断裂特征十分明显，其裂纹缺陷扩展速度极快、难以控制，并且对裂纹的敏感度显著提高。由大量夏比冲击试验数据可知，随着温度的降低，断裂存在一个韧-脆转变的过程。然而在我国《钢结构设计规范》（GB 50017-2017）中没有明确的对低温下钢结构脆断问题的准确计算方法。王元清[7]提出了低温冷脆钢结构构件的简化设计方法，对无实际裂纹构件采取0 级和1 级的设计，对含实际裂纹的构件采取2 级设计。舵杆机构属于无实际裂纹构件，其断裂设计采用与强度设计相同的形式，最大应力为：

式中：f=fu/γu，为抗脆断强度设计值，参考国外相关规范， γu取 1.3；β 为折减系数。

3 北极环境下潜艇舵杆传动机构仿真参数设置与结果分析

在组成潜艇舵杆机构的构件中，导向拉杆起到了传递舵机力矩的重要作用，以尾升降舵导向拉杆为研究对象进行分析。

3.1 三维模型建立

导向拉杆（见图2）由拉杆头、连杆、接头3 部分构成，连接方式为焊接，在工作时应力主要集中在拉杆与接头盒拉杆头的连接部位。为了简化计算，去除细小的结构部分，将简化后的模型口导入Ansys Workbench。

图2 导向拉杆Fig. 2 Guiding pull rod

3.2 仿真参数设置

北极海区在冬季平均温度在–40°C～–40°C，在极端情况下可达–70°C，夏季也多在8°C 以下，所以本次仿真温度设定为–60°C～–10°C。在材料属性中定义导向拉杆中拉杆头和接头材料为925A，拉杆材料为20，力学性能随温度变化如图3 所示。

图3 力学性能随温度变化曲线Fig. 3 Variation curve of mechanical properties with temperature

选择自动划分法对导向拉杆进行网格划分，设置分辨率为7，共生成节点27 397 个，单元15 496 个。网格划分效果如图4 所示。

图4 网格划分效果Fig. 4 Meshing Effect

导向拉杆通过传递舵机方向的推、拉力推动连接杆，连接杆两端连接左、右舵柄，舵柄带动舵轴、舵叶实现潜艇的升降。添加–16°C～–10°C的条件进行静力学分析。在拉杆头与连接杆接触的圆柱面添加圆柱形约束，接头添加500 kN 的拉力，如图5 所示。

图5 边界条件设置Fig. 5 Boundary condition setting

3.3 计算结果与分析

经过Ansys Workbench 计算，得到导向拉杆在-60°C～-10°C 下的受力云图（见图6）和最大应力值随温度变化曲线（见图7）。分析云图和曲线可以看出：

图6 应力云图Fig. 6 Stress nephogram

图7 最大应力值随温度变化曲线Fig. 7 Variation curve of maximum stress value with temperature

图8 导向拉杆局部应力云图（–60℃）Fig. 8 Local stress nephogram（–60℃）

1）拉杆头所受平均应力最小；拉杆应力分布两端大，中段平均；接头的应力呈阶梯式分布。

2）最大应力发生在拉杆头与拉杆的连接部位（见图9（a））。

图9 改进后应力云图Fig. 9 Improved stress nephogram

3）拉杆所用材料为20，在–60°C 下fu为423 MPa。按照公式（4）的设计方法，取 β值为0.61，得拉杆的许用应力值 [σ]=195.23 MPa。由图9（b）可知，在–60°C 时拉杆最大应力 σmax=214.23 MPa， σmax＞[σ]，存在“拉断舵杆”的风险。

4）随着温度降低，导向拉杆所受最大应力值呈非线性上升趋势。

4 改进方案

对于正在服役的潜艇，舵杆机构设计至今已有数十年，结构设计兼顾空间性与实用性，因布置特殊以及受载荷条件等因素的影响，系统静、动态力学性能较为复杂[8]。因此相对于改变舵杆机构的整体设计，将易发生低温脆性断裂的构件进行材料替换使其在低温下的机械性能增强更容易实现。基于此，提出一种替换材料的改进方案。

拉杆材料为低碳钢20，其在极端低温下的力学性能较差。“雪龙2 号”极地考察船结构通常采用特殊钢（EH36），具备足够的低温韧性、强度、可焊接性、疲劳强度等综合性能[9]。因为EH36 钢较高的断裂韧性以及耐低温的特点，从“雪龙1 号”极地破冰船开始就成为极地破冰船的主要材料，其低温弹性模量以及屈服强度等参数如表1 所示。

表1 EH36 材料属性参数Tab. 1 EH36 material property parameters

在原有网格划分、约束载荷的条件下将EH36 的材料属性添加到连接部位，再一次进行–60°C ～ –10°C下的静力学分析，得到的应力云图如图9 所示，最大应力值对比曲线如图10 所示。

图10 最大应力值对比曲线Fig. 10 Comparison curve of maximum stress value

对比仿真数据可知，导向拉杆在经过材料替换后，最大应力值出现位置仍处于连接部位。在温度为–20°C～–10°C 时的最大应力基本不变，但是在–60°C～–30°C 时最大应力值平均下降了11.49%，可以说明改进方案改善了舵杆机构的在低温下的机械性能。

5 结 语

本文建立了潜艇舵杆机构三维模型，并以导向拉杆构件为例，对其–60°C～–10°C 下的静力学特性进行有限元分析，得到结论如下：

1）在北极低温条件下，导向拉杆可能存在脆性破坏的位置在拉杆头与拉杆的连接部位，经过基于钢结构冷脆性的设计计算，有“舵杆拉断”的风险。

2）将低温力学性能较差的低碳钢 20 替换为极地船用钢EH36 后，在–60°C～–30°C 时最大应力值平均下降了11.49%，有效提高了其在低温下的机械性能。

此方法可为北极环境下的舰艇设计、建造改装、运行维修提供技术支撑。