楊樹(shù)濤 朱永凱 焦 磊

哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

艦船舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)水下接觸爆炸動(dòng)響應(yīng)分析研究

楊樹(shù)濤 朱永凱 焦 磊

哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

艦船舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)在接觸爆炸載荷作用下的動(dòng)響應(yīng)問(wèn)題是艦船抗爆抗沖擊設(shè)計(jì)的重要組成部分。根據(jù)國(guó)外水面艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)形式，在某單層舷側(cè)艦船模型基礎(chǔ)上增設(shè)舷側(cè)防護(hù)隔壁結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用國(guó)際上通用的動(dòng)力有限元程序ABAQUS對(duì)其進(jìn)行水下接觸爆炸系列數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)，考核舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)艦船抗爆抗沖擊性能的影響。通過(guò)結(jié)果的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，增設(shè)舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)后較明顯改善了船體外板的損傷情況，且防護(hù)隔壁僅發(fā)生了少量的塑性變形沒(méi)有產(chǎn)生破口，從而達(dá)到了保護(hù)內(nèi)部機(jī)艙等重要艙室的目的，并以防護(hù)結(jié)構(gòu)雙層隔艙內(nèi)填充液體抗沖擊性能最佳。

水下接觸爆炸；防護(hù)結(jié)構(gòu)；數(shù)值仿真；抗沖擊性能

1 引言

近年來(lái)，隨著現(xiàn)代兵器技術(shù)和精確制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，水下兵器的殺傷力和命中精度都得到了極大的提高，致使魚(yú)雷等反艦武器可以貼近艦船表面爆炸，即水下接觸爆炸。目前，關(guān)于單層板 殼［1-2］及簡(jiǎn)單板架結(jié) 構(gòu)［3-5］在接觸 爆 炸 載 荷 作用下的研究成果較多，但對(duì)于結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜的多層板殼［6-7］及艙段模型［8］研究甚少，對(duì)于整船結(jié)構(gòu)的研究幾乎還沒(méi)有開(kāi)展過(guò)。因此，研究水下接觸爆炸載荷作用下艦船結(jié)構(gòu)的動(dòng)響應(yīng)特征具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

針對(duì)艦船舷側(cè)相對(duì)較弱的現(xiàn)狀，本文根據(jù)西方現(xiàn)役艦船舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，在某單層舷側(cè)艦船模型基礎(chǔ)上增設(shè)舷側(cè)防護(hù)隔壁結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用數(shù)值仿真的方法對(duì)不同模型的抗沖擊性能進(jìn)行了對(duì)比分析。研究結(jié)果表明：增設(shè)舷側(cè)防護(hù)隔壁結(jié)構(gòu)后較明顯改善了船體外板的破壞情況，且防護(hù)隔壁只發(fā)生了少量的塑性變形沒(méi)有產(chǎn)生破口，從而達(dá)到了保護(hù)內(nèi)部機(jī)艙等重要艙室的目的，并以防護(hù)結(jié)構(gòu)雙層隔艙內(nèi)填充液體抗沖擊性能最佳。這可以為今后新型舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)提供參考。

2 舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文中計(jì)算模型為根據(jù)西方傳統(tǒng)艦船虛擬某小型水面艦船，該艦為單層舷側(cè)結(jié)構(gòu)，其典型橫剖面如圖1所示，為敘述方便，將其稱為模型1。

為了研究舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)提高艦船結(jié)構(gòu)抗爆抗沖擊性能的影響，本文在模型1的基礎(chǔ)上為該艦增設(shè)舷側(cè)防護(hù)隔艙：即在船舯舷側(cè)部分增設(shè)一層縱向防護(hù)隔壁，該隔壁在水線部位距舷側(cè)大約1m，并與舷側(cè)外板及兩端橫艙壁組成水密隔艙，在防護(hù)隔艙內(nèi)縱向每隔3 m（約6個(gè)肋位）設(shè)置一道橫隔壁，每道橫隔壁中間開(kāi)人孔以減輕重量，將防護(hù)隔艙劃分為若干連通艙，其典型橫剖面如圖2所示，此為模型2。以模型2為基礎(chǔ)，防護(hù)隔艙中注入80%的水時(shí)，稱為模型2-1，而防護(hù)隔艙僅為一層空艙時(shí)，稱為模型2-2。

總結(jié)上述說(shuō)明，按照結(jié)構(gòu)型式的不同，文中共分析了3種計(jì)算模型，具體如表1所示。

表1 不同舷側(cè)結(jié)構(gòu)模型

3 有限元數(shù)值仿真

3.1 有限元模型建立

本文首先利用大型通用有限元軟件ANSYS對(duì)該艦進(jìn)行建模，有限元模型采用笛卡爾坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)取在基線上第 125號(hào)肋骨處，x軸重合于基線，向艦首方向?yàn)檎?；y軸垂直于中線面，向左舷為正；z軸垂直于水線面，向上方為正，如圖3所示。

有限元網(wǎng)格劃分時(shí)，考慮到船體結(jié)構(gòu)遭受水下魚(yú)雷接觸爆炸時(shí)，其結(jié)構(gòu)必然受到爆炸沖擊作用產(chǎn)生塑性變形甚至破壞，而采用數(shù)值手段模擬這種瞬間、高應(yīng)變率的破壞過(guò)程，需要將結(jié)構(gòu)網(wǎng)格細(xì)致劃分。而且水下接觸爆炸對(duì)結(jié)構(gòu)造成的損傷破壞范圍主要局限于武器彈著點(diǎn)附近，相對(duì)于整船來(lái)說(shuō)，可以視為局部問(wèn)題，故本文采用局部網(wǎng)格加密技術(shù)對(duì)該艦船進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，即在在武器彈著點(diǎn)附近進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。具體來(lái)說(shuō)，艦船總體網(wǎng)格尺寸為 0.3～0.5 m，局部加密處尺寸為0.05～0.08 m，整 個(gè) 模 型 單 元 規(guī) 模 總 數(shù) 達(dá) 到 了728 450，其中包括636 500個(gè)殼單元和91 950個(gè)梁?jiǎn)卧?。這樣可使在保證計(jì)算精度的前提下，大大提高數(shù)值試驗(yàn)的計(jì)算效率和工程應(yīng)用價(jià)值，某艦具體有限元網(wǎng)格模型如圖4所示。

由于ABAQUS軟件中的聲固耦合算法可以很好地模擬流場(chǎng)與結(jié)構(gòu)的耦合作用，這里在ABAQUS中對(duì)某艦周圍流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值建模。在數(shù)值模擬過(guò)程中，外部流場(chǎng)網(wǎng)格劃分的因素起到了關(guān)鍵作用，流場(chǎng)網(wǎng)格劃分的大小與沖擊載荷的頻率成分有關(guān)。在實(shí)際工作當(dāng)中，往往需要憑借經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷網(wǎng)格的密度。文獻(xiàn)［9］認(rèn)為如果要使分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)比較吻合，結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)周圍的流場(chǎng)一般在一個(gè)沖擊波波長(zhǎng)內(nèi)至少有10～25個(gè)網(wǎng)格，而外部流場(chǎng)在一個(gè)沖擊波波長(zhǎng)之內(nèi)大約有1～5個(gè)網(wǎng)格即可。對(duì)于大模型來(lái)說(shuō)，通常在流固交界面附近采用高精度網(wǎng)格，而其余流場(chǎng)網(wǎng)格可以略粗一些。結(jié)合船體模型，最終形成某艦與其周圍流場(chǎng)的整體有限元模型，如圖5、圖6所示。

3.2 材料模型及單元失效準(zhǔn)則

在水下接觸爆炸這種瞬態(tài)強(qiáng)沖擊載荷作用下，船體材料應(yīng)變率效應(yīng)特別明顯，本文采用與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好的Cowper-Symonds材料模型［10］，來(lái)合理地考慮應(yīng)變率對(duì)材料性能的影響，以正確判斷結(jié)構(gòu)損傷情況。

數(shù)值仿真計(jì)算中，采用了等效失效應(yīng)變準(zhǔn)則判別材料的失效，綜合考慮本文的失效應(yīng)變可取為 0.28。

3.3 計(jì)算工況設(shè)置

為了更好地對(duì)比分析舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗爆抗沖擊性能，3種舷側(cè)模型的計(jì)算工況保持一致：即藥包質(zhì)量分為 40 kg、65 kg兩種，爆距為 0.3m，且藥包置于船舯舷側(cè)水下2m處，以模型1為例，藥包相對(duì)位置如圖7所示。其中H表示藥包位于水線下2m處，R表示爆距為0.3m。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 艦船動(dòng)響應(yīng)分析

經(jīng)過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算，可得到不同工況下船體結(jié)構(gòu)接觸爆炸載荷作用下的響應(yīng)特征，這里以模型2-1在65 kg藥包爆炸工況下艦船動(dòng)態(tài)響應(yīng)為例，給出某時(shí)刻舷側(cè)接觸爆炸載荷下船體結(jié)構(gòu)響應(yīng)云圖，如圖8，圖9所示?？梢?jiàn)，在接觸爆炸載荷作用下船體結(jié)構(gòu)在彈著點(diǎn)附近響應(yīng)最為劇烈，甚至出現(xiàn)破口，而隨著距彈著點(diǎn)距離的增加結(jié)構(gòu)響應(yīng)迅速衰減，具有明顯的局部性特征。所以，采用局部網(wǎng)格細(xì)化的方法可以很好地模擬接觸爆炸載荷作用下的艦船結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)特征。

下面給出了舷側(cè)接觸爆炸工況下船體甲板不同位置加速度響應(yīng)時(shí)歷曲線，如圖10～圖12所示。

從圖10～圖12可以看出，船體響應(yīng)以高頻成分為主，且船體中部距離藥包最近，沖擊波最先作用于該處，響應(yīng)也最劇烈。從時(shí)域峰值來(lái)說(shuō)，中部響應(yīng)峰值幾乎是尾部、首部的幾倍甚至十幾倍，這也再次驗(yàn)證了接觸爆炸的局部破壞特性。

4.2 船體外板破口及塑性變形范圍

船體外板作為沖擊波最先作用的部位，在接觸爆炸載荷作用下的損傷一般也最嚴(yán)重。在沖擊波載荷作用下，一般認(rèn)為當(dāng)船體外板的應(yīng)力達(dá)到了材料的屈服應(yīng)力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生塑性變形；隨著載荷的進(jìn)一步作用及結(jié)構(gòu)慣性的影響，船體板會(huì)進(jìn)一步發(fā)生變形，等效塑性應(yīng)變隨之增加，直至達(dá)到材料的失效應(yīng)變，船體外板出現(xiàn)破口。

通過(guò)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，船體外板發(fā)生塑性變形區(qū)域較大，尤其是在外板與剛性較大支撐構(gòu)件的連接部位，如外板與各甲板、平臺(tái)，內(nèi)底板與艙壁相交位置產(chǎn)生的塑性變形最大。為了比較不同舷側(cè)防護(hù)隔艙模型對(duì)船體結(jié)構(gòu)抗爆抗沖擊的影響，表2列出3種模型在不同工況下船體外板破口及塑性變形范圍，其中R表示破口半徑。

表2中結(jié)果表明，在舷側(cè)水下接觸爆炸載荷作用下，增設(shè)舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)后較明顯地改善了船體外板的損傷情況：相對(duì)于單層舷側(cè)的模型1，模型2-1與模型2-2外板破口半徑分別縮小了約25%～31%和 16.7%～22.2%；塑性變形區(qū)域分別縮小了 57.8%～62.3%和 42.3%～45.3%。 這體現(xiàn)出防護(hù)隔艙在一定程度上降低了外板的損傷范圍，增強(qiáng)了船體外板的抗爆能力，起到保護(hù)內(nèi)部艙室的效果。與此同時(shí)，隨著藥包質(zhì)量的增加，舷側(cè)防護(hù)隔壁對(duì)整個(gè)船體結(jié)構(gòu)的防護(hù)作用越明顯。并且以模型2-1改善效果最好，這是由于隔艙內(nèi)的液體在爆炸沖擊波作用過(guò)程中通過(guò)與船體板的作用也吸收了一定的能量，提高了船體的抗沖擊性能。

表2 不同工況下各模型船體外板塑性變形及破口范圍

4.3 防護(hù)隔壁破口及塑性變形范圍

作為防雷艙，艦船舷側(cè)水密隔艙的主要作用為在船體外板破損的情形下防止海水進(jìn)入內(nèi)部重要艙內(nèi)，以增強(qiáng)艦船整體的抗爆能力。為了更加深入地研究防護(hù)隔壁結(jié)構(gòu)在爆炸載荷作用下的損傷情況，這里給出了設(shè)有舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)的模型2-1及模型2-2在舷側(cè)接觸爆炸載荷作用下防護(hù)隔艙隔壁的塑性變形及破口范圍，具體結(jié)果如表3所示。

表3 不同工況下各模型防護(hù)隔壁塑性變形及破口范圍

計(jì)算結(jié)果表明，模型2-1及2-2的防護(hù)內(nèi)壁均沒(méi)有出現(xiàn)破口，這就形成了保護(hù)內(nèi)部重要艙室的第二道屏障，對(duì)于艦船內(nèi)部結(jié)構(gòu)起到了很好的防護(hù)作用。同時(shí)可以看出，模型2-1較模型2-2塑性變形范圍及最大變形量分別減小了約26.5%～28.6%和 14.3%～16.6%，可見(jiàn)艙內(nèi)注液體更有利于舷側(cè)防雷。

5 結(jié)論

本文應(yīng)用數(shù)值仿真的方法對(duì)某艦在水下接觸爆炸載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了模擬。對(duì)比分析了增設(shè)防護(hù)隔壁的兩種舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)模型與原模型抗爆抗沖擊性能，得到主要結(jié)論如下：

1）水下接觸爆炸具有明顯的局部性損傷特征，有限元建模時(shí)采用局部網(wǎng)格細(xì)化技術(shù)可以保證計(jì)算精度的同時(shí)大大提高計(jì)算效率。

2）不同工況下，塑性區(qū)域均多出現(xiàn)在船殼與較強(qiáng)構(gòu)件相交處，如外板、平臺(tái)與艙壁相交處等。與此同時(shí)，船體結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)以高頻為主，且幅值隨時(shí)間衰減很快。

3）在舷側(cè)接觸爆炸情況下，相對(duì)于單層舷側(cè)的模型1，模型2-1與模型2-2外板破口半徑分別縮小了約 25%～31%和 16.7%～22.2%；塑性變形區(qū)域分別縮小了 57.8%～62.3%和 42.3%～45.3%。這體現(xiàn)出防護(hù)隔艙在一定程度上降低了外板的損傷范圍，增強(qiáng)了船體外板的抗爆能力，起到保護(hù)內(nèi)部艙室的效果。并且以雙層隔艙內(nèi)注入液體效果最好。

4）當(dāng)船體外板產(chǎn)生了比較大的破口時(shí)，防護(hù)隔壁只發(fā)生了少量的塑性變形，并沒(méi)有產(chǎn)生破口，形成了保障船體結(jié)構(gòu)安全性的第二道屏障，從而達(dá)到了保護(hù)內(nèi)部機(jī)艙等重要艙室的目的。

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Analysis on Dynam ic Response of Shipboard Protective Structure Subjected to Underwater Contact Exp losion

Yang Shu－tao Zhu Yong－kai Jiao Lei
College of Shipbuilding Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China

The dyna mic response of shipboard protective structure subjected to contact explosion load is one of the important issues in the anti－detonation and anti－shock design of ship.Considering various protective structural configurations of foreign surface ships，a numerical simulation was carried out on the shipboard protective structure with additional bulkhead based on a mono hull ship model，utilizing the finite element package ABAQUS commonly used for dynamic analysis，and the impacts of the shipboard protective structure on the anti－detonation and anti－shock performance were investigated.The comparison results and analysis showed that the anti－shock performance of outer plate of hull with additional protection was significantly improved，in which no crevasses were found other than a few of plastic deformations occurred in the structure.This design can fulfill the protection requirement of the important inner spaces such as engine room from explosion loading， and it shows that the liquid－filled protective structure of double hull is the optimal configuration for anti－shock performance.

underwater contact explosion； protective structure； numerical simulation； anti－shock performance

U661.43

A

1673－3185（2010）04－22－05

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.04.005

2009－11-18

楊樹(shù)濤（1984－），男，碩士。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)。E-mail：shutaoyang2008＠ hotmail.com