查友其 劉世明 金武雷 彭 溢

1 海軍駐上海江南（造船）集團(tuán)有限責(zé)任公司軍事代表室，上海 200015 2 中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢 430064

0 引 言

作為艦艇結(jié)構(gòu)重要的船體首部結(jié)構(gòu)形式，導(dǎo)流罩被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代艦艇。目前，我國(guó)普遍采用玻璃鋼導(dǎo)流罩［1］，這類導(dǎo)流罩雖然具有很好的透聲性能，但其機(jī)械強(qiáng)度較差［2］。與玻璃鋼導(dǎo)流罩相比，鈦合金導(dǎo)流罩因其材料強(qiáng)度高，對(duì)聲吶聲場(chǎng)的畸變小，達(dá)到聲學(xué)穩(wěn)定所需的時(shí)間較短，聲學(xué)總體性能良好；而且在結(jié)構(gòu)抗沖擊性能及耐腐蝕性能方面有大幅提升，能為聲吶設(shè)備創(chuàng)造良好的工作環(huán)境。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)鈦合金材料及艦艇導(dǎo)流罩的結(jié)構(gòu)形式、強(qiáng)度開(kāi)展了研究。田非等［3］對(duì)艦艇用鈦合金技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用分析；金武雷等［4］提出了錯(cuò)層式鈦合金球鼻首導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)形式；李源源、汪禮思等［5-7］分別對(duì)球鼻首導(dǎo)流罩的材料選型、結(jié)構(gòu)性能和聲學(xué)性能進(jìn)行了分析；陳汪等［8］對(duì)玻璃鋼夾芯板復(fù)合材料的新型導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了分析。但在水下爆炸沖擊環(huán)境中，針對(duì)導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)的水下爆炸動(dòng)態(tài)響應(yīng)的研究尚未開(kāi)展，本文將對(duì)水下爆炸沖擊載荷作用下的鈦合金導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)進(jìn)行研究。

1 模型及計(jì)算理論

1.1 模 型

本研究中的鈦合金導(dǎo)流罩由導(dǎo)流罩外板、加強(qiáng)筋、法蘭及支柱結(jié)構(gòu)組成，除連接結(jié)構(gòu)鋼法蘭、部分底部結(jié)構(gòu)及支柱為鋼質(zhì)外，其余結(jié)構(gòu)均由鈦合金材料制成。導(dǎo)流罩各構(gòu)件材料及其屈服強(qiáng)度如表1所示。

應(yīng)用有限元分析軟件ABAQUS建立鈦合金導(dǎo)流罩有限元模型和半圓柱形流場(chǎng)有限元模型，采用聲固耦合法進(jìn)行有限元數(shù)值仿真計(jì)算。采用ABAQUS以聲固耦合法進(jìn)行有限元數(shù)值仿真計(jì)算時(shí)，流體以聲學(xué)介質(zhì)來(lái)描述，水下爆炸沖擊波則在聲學(xué)單元中傳播并作用到結(jié)構(gòu)上。文獻(xiàn)［9］應(yīng)用聲固耦合算法對(duì)艦船幾種典型的水下爆炸模型進(jìn)行了計(jì)算和分析，研究了網(wǎng)格劃分對(duì)有限元分析的影響。其研究結(jié)果是，如果分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)比較吻合，結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)周圍的流場(chǎng)通常在1個(gè)沖擊波波長(zhǎng)內(nèi)有10～25個(gè)網(wǎng)格，而外部流場(chǎng)在1個(gè)沖擊波波長(zhǎng)內(nèi)約有1～5個(gè)網(wǎng)格即可。算例結(jié)果表明，使用聲固耦合算法分析艦船水下爆炸時(shí)，船體的沖擊響應(yīng)與實(shí)船爆炸測(cè)試數(shù)據(jù)比較接近，聲固耦合算法模擬水下爆炸時(shí)具有一定可信度，滿足工程使用要求。本文參照文獻(xiàn)［9］中的經(jīng)驗(yàn)劃分網(wǎng)格，采用殼單元模擬導(dǎo)流罩外板，采用梁?jiǎn)卧M水平、縱向加強(qiáng)筋、桁架加強(qiáng)筋以及螺栓結(jié)構(gòu)，流場(chǎng)則采用四面體網(wǎng)格劃分。在劃分流場(chǎng)網(wǎng)格時(shí)，流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)交界面處的網(wǎng)格劃分較為精細(xì)，以保證計(jì)算精度，其余流場(chǎng)的網(wǎng)格較為粗略，以節(jié)省計(jì)算的時(shí)間。導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)模型及整體計(jì)算有限元模型如圖1和圖2所示。

圖1 導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.1 Finite element model of fairwater dome

圖2 導(dǎo)流罩抗沖擊計(jì)算整體有限元模型Fig.2 The whole fairwater dome finite element model for anti-shock calculation

1.2 計(jì)算理論

水下爆炸產(chǎn)生的沖擊波由炸藥爆轟生成的高溫、高壓氣體產(chǎn)物向外擴(kuò)散并壓縮周圍水介質(zhì)而使得相鄰水介質(zhì)壓力呈現(xiàn)突躍式升高所形成。目前，對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)水下爆炸沖擊波載荷仍采用經(jīng)典的庫(kù)爾經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算沖擊波波陣面上的壓力峰值［10］：

沖擊波波陣面過(guò)后，流場(chǎng)中某加載面上的沖擊波載荷經(jīng)驗(yàn)公式為［3］：

式中，Pm為沖擊波峰值壓力，Pa；W 為裝藥量，kg；R為球面距爆炸中心距離，m；P為沖擊波壓力，Pa。

ABAQUS的聲固耦合法在分析水下爆炸時(shí)采用散射波公式。分析中，由于認(rèn)為流體是線性的，因此忽略流體的氣穴現(xiàn)象和流體靜壓的影響。該方法基于沖擊波在大于10倍藥包半徑以外的傳播符合聲學(xué)傳播規(guī)律，流體用聲學(xué)介質(zhì)來(lái)描述，水下爆炸沖擊波則在聲學(xué)單元中傳播并作用到結(jié)構(gòu)上，此時(shí)的流固耦合問(wèn)題可視為聲固耦合問(wèn)題。ABAQUS的聲固耦合法在處理水下爆炸沖擊載荷時(shí)，經(jīng)由理論公式計(jì)算得到的流場(chǎng)中某一點(diǎn)的壓力時(shí)歷曲線，并自動(dòng)計(jì)算流場(chǎng)中的壓力分布。

2 工況設(shè)置及邊界條件

2.1 工況設(shè)置

本研究中設(shè)定的船體水下爆炸沖擊環(huán)境為：以1 000 kg的TNT當(dāng)量為爆源，攻角30°，舷側(cè)爆距為55 m。水下爆炸示意圖如圖3所示，沖擊波載荷壓力曲線如圖4所示。

圖3 水下爆炸示意圖Fig.3 Schematic of underwater explosion

圖4 沖擊波壓力曲線Fig 4 Pressure curve of shock wave

2.2 邊界條件設(shè)置

根據(jù)導(dǎo)流罩在船上的安裝情況，計(jì)算中設(shè)定與導(dǎo)流罩連接結(jié)構(gòu)鋼法蘭處連接的船體結(jié)構(gòu)邊界為剛性固定，支柱結(jié)構(gòu)及導(dǎo)流罩末端與船體結(jié)構(gòu)連接處為簡(jiǎn)支邊界條件。

3 導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)抗沖擊計(jì)算分析

進(jìn)行導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)抗沖擊計(jì)算分析時(shí)，首先給出導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力云圖。圖5所示為t=0.03 s時(shí)的導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖，沖擊波由導(dǎo)流罩底部外板向四周均勻傳播，在導(dǎo)流罩底部外板處產(chǎn)生了較明顯的響應(yīng)，其余外板處及加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)等構(gòu)件處響應(yīng)較小，可見(jiàn)底部外板較其他結(jié)構(gòu)處危險(xiǎn)。

在導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)上選取兩個(gè)考核點(diǎn)A，B，其中A點(diǎn)位于導(dǎo)流罩底部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)處，B點(diǎn)位于導(dǎo)流罩底部外板上，如圖5所示。

圖5 導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)Mises應(yīng)力云圖Fig 5 Mises stress result

3.1 等效塑性應(yīng)變響應(yīng)分析

t=0.03 s時(shí)導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)等效塑性應(yīng)變?nèi)鐖D6所示。

圖6 等效塑性應(yīng)變?cè)茍DFig 6 PEEQ result

等效塑性應(yīng)變PEEQ是材料塑性變形的一個(gè)度量，描述的是整個(gè)變形過(guò)程中塑性應(yīng)變的累積結(jié)果。從等效塑性應(yīng)變響應(yīng)云圖可見(jiàn)，與應(yīng)力云圖相似，結(jié)構(gòu)的等效塑性應(yīng)變最大位置出現(xiàn)在導(dǎo)流罩底部外板處，等效塑性應(yīng)變值為0.153。圖7所示為應(yīng)變最大位置處等效塑性應(yīng)變的時(shí)歷曲線。

3.2 位移響應(yīng)分析

t=0.03 s時(shí)位移響應(yīng)如圖8所示。

圖7 等效塑性應(yīng)變時(shí)歷曲線Fig 7 Time history of PEEQ

圖8 位移響應(yīng)云圖Fig 8 Displacement result

從位移響應(yīng)云圖可見(jiàn)，導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最大位移的位置在導(dǎo)流罩底部外板處。圖9所示為A，B考核點(diǎn)相對(duì)位移變化時(shí)歷曲線。

圖9 位移變化時(shí)歷曲線Fig 9 Time history of displacement

由圖9可見(jiàn)，導(dǎo)流罩底部外板處的最大位移約為11.8 cm，出現(xiàn)最大位移的位置位于導(dǎo)流罩縱、橫向加強(qiáng)材形成的板格處。究其原因，導(dǎo)流罩底部在橫向和縱向僅布置有3道加強(qiáng)材，其間距約為導(dǎo)流罩其他部位外板的水平、徑向加強(qiáng)筋間距的1.5倍，且鈦合金材料的彈性模量小、剛性差、易變形，因此在沖擊波的作用下，此處產(chǎn)生了相對(duì)較大的變形。

3.3 沖擊響應(yīng)譜分析

導(dǎo)流罩基陣安裝位置的響應(yīng)對(duì)于基陣的安裝具有很大的影響。水下爆炸載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)以垂向響應(yīng)為主，有必要以垂向加速度響應(yīng)為對(duì)象，分析基陣安裝位置的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，將加速度時(shí)歷曲線轉(zhuǎn)化為功率譜密度，基陣安裝位置處功率譜密度曲線如圖10所示。

圖10 功率譜密度曲線Fig 10 Curve of power spectral density

從圖10中的功率譜密度曲線可見(jiàn)，中低頻段的譜密度值較大，說(shuō)明基陣安裝位置處響應(yīng)集中在中低頻段。因此，在安裝基陣時(shí)應(yīng)考慮安裝位置處的頻率特性，避開(kāi)安裝位置處的響應(yīng)頻段，以避免對(duì)基陣的工作性能產(chǎn)生不良影響。圖11所示為安裝位置處的垂向計(jì)算沖擊譜，給出了基陣安裝位置處的沖擊環(huán)境。

圖11 垂向計(jì)算沖擊譜Fig 11 Vertical shock spectrum

4 結(jié) 論

本文對(duì)鈦合金導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)在水下爆炸沖擊載荷作用下的響應(yīng)特性進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果表明：在沖擊載荷作用下，導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)的等效塑性應(yīng)變和最大位移位置為導(dǎo)流罩底部外板處，此處為導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)區(qū)域；導(dǎo)流罩基陣安裝位置處的響應(yīng)以中低頻段為主，基陣的安裝頻率宜避開(kāi)此頻段。

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