李　琛，宗　智，王文冠

(1. 91439部隊(duì)，遼寧 大連　116041；

2.大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院、工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連　116041)

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水下爆炸雙體船隔振性能數(shù)值仿真與試驗(yàn)研究水域

李琛1，宗智2，王文冠2

(1. 91439部隊(duì)，遼寧 大連116041；

2.大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院、工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連116041)

摘要：為了檢驗(yàn)水下爆炸載荷作用下某雙體船隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，建立了雙體船有限元模型，運(yùn)用大型有限元分析軟件ABAQUS，對(duì)安裝隔振系統(tǒng)后雙體船結(jié)構(gòu)在爆炸載荷作用下的沖擊響應(yīng)進(jìn)行了仿真，采用流固耦合方法考慮空化效應(yīng)和材料應(yīng)變率的影響，預(yù)估雙體船隔振性能。仿真結(jié)果表明，雙體船經(jīng)隔振設(shè)計(jì)后，在水下爆炸載荷作用下，船體底部的塑性變形顯著減小，船體的垂向加速度峰值衰減率超過(guò)95%。經(jīng)海上爆炸試驗(yàn)驗(yàn)證，數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)值吻合良好，雙體船隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。

關(guān)鍵詞：雙體船;水下非接觸爆炸; ABAQUS;隔振系統(tǒng);隔振性能;數(shù)值仿真

Citation format:LI Chen, ZONG Zhi, WANG Wen-guan.Numerical Simulations and Tests Investigation in UNDEX on Isolation Performance of Catamaran[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):31-34.

盡管遠(yuǎn)場(chǎng)非接觸水下爆炸對(duì)船體結(jié)構(gòu)不造成任何損傷，但是卻可能造成艦載設(shè)備損傷。由于水下爆炸在船體結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生相當(dāng)于幾千個(gè)重力加速度的沖擊，一般的儀器設(shè)備難以抵抗，造成損傷。因此，艦載設(shè)備一般要使用隔振系統(tǒng)[1,2]。

關(guān)于工業(yè)中的沖擊隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)，已經(jīng)有成熟的方法[3]；其關(guān)鍵是將載荷簡(jiǎn)化為半正弦曲線(xiàn)，通過(guò)選取合適的彈簧系數(shù)，達(dá)到隔振的效果。由于水下爆炸載荷響應(yīng)曲線(xiàn)復(fù)雜，無(wú)論是沖擊載荷，還是基座的響應(yīng)不能簡(jiǎn)單地使用半正弦曲線(xiàn)擬合，因此，目前工業(yè)中通用的隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不適合于艦載設(shè)備抗水下爆炸隔振設(shè)計(jì)。

為合理設(shè)計(jì)水下爆炸載荷作用下某雙體船隔振系統(tǒng)，本研究提出數(shù)值仿真(本文使用ABAQUS軟件的水下爆炸模塊[4])與實(shí)爆試驗(yàn)相結(jié)合的方法，即通過(guò)對(duì)安裝隔振系統(tǒng)后雙體船結(jié)構(gòu)在爆炸載荷作用下的沖擊響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值仿真，預(yù)估雙體船隔振性能，再通過(guò)水下爆炸試驗(yàn)，進(jìn)行了數(shù)值-試驗(yàn)對(duì)比。

1問(wèn)題描述

雙體船主要由雙體結(jié)構(gòu)鋼質(zhì)船體、隔振系統(tǒng)和輔助配套裝置等組成。雙體船隔振性能指標(biāo)為垂向沖擊加速度峰值衰減率不低于95%。為滿(mǎn)足該雙體船隔振性能要求，設(shè)計(jì)了由鋼制試驗(yàn)平臺(tái)和布置在雙體船甲板上的隔振器組成的隔振系統(tǒng)，試驗(yàn)平臺(tái)面積為2.0 m×1.5 m、質(zhì)量為1 000 kg，試驗(yàn)平臺(tái)由8個(gè)隔振器與雙體船甲板相連。

首先，對(duì)于沒(méi)有隔振系統(tǒng)的雙體船進(jìn)行數(shù)值水下爆炸預(yù)報(bào)。根據(jù)船體的加速度響應(yīng)，初步確定了隔振器3個(gè)方向剛度為0.1 kN/mm。采用大型有限元軟件ABAQUS，對(duì)安裝隔振系統(tǒng)后雙體船船體及試驗(yàn)平臺(tái)在水下爆炸沖擊作用下的沖擊響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)模擬結(jié)果判斷雙體船船體的垂向加速度峰值衰減率是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，從而檢驗(yàn)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

2仿真模型建立

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算力學(xué)的發(fā)展，為水下爆炸數(shù)值模擬方法[5-9]的研究提供了很好的解決途徑。數(shù)值仿真技術(shù)在水下爆炸載荷作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)際上是流-固耦合問(wèn)題，而聲-固耦合法是處理上述問(wèn)題行之有效的方法之一[4]。本文采用ABAQUS內(nèi)嵌的聲-固耦合方法，采用一種聲學(xué)介質(zhì)來(lái)描述流體，沖擊波在聲學(xué)單元中傳播。

2.1有限元模型

利用 Pro/E 軟件建立某型艦的幾何模型(圖1)。坐標(biāo)原點(diǎn)為基平面與中縱剖面和 FR0 剖面的交點(diǎn)，X軸指向船首，Y軸指向左舷，Z軸豎直向上。雙體船模型由HyperMesh建立(圖2)，導(dǎo)入ABAQUS后進(jìn)行有限元分析計(jì)算。船體外板和水密艙壁網(wǎng)格由0.1×0.1四邊形網(wǎng)格劃分，其中最小網(wǎng)格邊長(zhǎng)0.016，最大網(wǎng)格邊長(zhǎng)0.17。外板和水密艙壁總單元數(shù)為17 244個(gè)，其中四邊形單元16 727個(gè)，三角形單元517個(gè)。船體梁由0.1線(xiàn)網(wǎng)格劃分，線(xiàn)單元8 106個(gè)。水域半徑取船體半寬(型寬一半)的6倍[10]12 m，水域中間為長(zhǎng)13 m，半徑12 m的半圓柱，兩邊為半徑12 m的四分之一球。將流場(chǎng)底面邊界設(shè)為無(wú)反射邊界[10],水域由內(nèi)到外網(wǎng)格大小依次為0.1,0.2,0.4,0.8，單元總數(shù)為1 704 116，單元類(lèi)型為聲學(xué)四面體單元。

圖1　模型整體

圖2　雙體船外板模型

2.2材料屬性

在有限元網(wǎng)格實(shí)體模型建立的基礎(chǔ)上，對(duì)模型添加材料屬性及約束條件。雙體船材料選用Q235鋼，密度為7.85×103kg/m3，楊氏模量為2.1×1011N/m，泊松比為0.3，塑性屬性中屈服應(yīng)力為2.35×108Pa時(shí)塑性應(yīng)變?yōu)?；屈服應(yīng)力為3.5×108Pa時(shí)塑性應(yīng)變?yōu)?.15。水域密度1 000 kg/m3，聲學(xué)介質(zhì)2.140 9×109Pa。

2.3計(jì)算工況

在仿真模型建立的基礎(chǔ)上，提交ABAQUS軟件求解器進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算工況如表1所示。

表1　數(shù)值仿真工況

通過(guò)隔振器船上節(jié)點(diǎn)和平臺(tái)節(jié)點(diǎn)輸出的垂向加速度峰值，計(jì)算衰減率，檢驗(yàn)隔振系統(tǒng)的隔振效果。隔振器布置如圖3所示。

圖3　隔振器布置

3仿真試驗(yàn)結(jié)果

3.1隔振前后垂向加速度對(duì)比

沖擊造成的船體沖擊響應(yīng)，在船體的各個(gè)部位是不同的，對(duì)于雙體船來(lái)說(shuō)，垂向加速度是主要的。兩種工況下隔振前后垂向加速度數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4　隔振前后垂向加速度數(shù)值計(jì)算結(jié)果

兩種工況下隔振前后垂向加速度峰值數(shù)值及衰減率如表2所示。

表2　隔振前后垂向加速度峰值及衰減率

3.2隔振前后垂向加速度響應(yīng)

圖5(a)～圖5(d)所示為兩種工況下6號(hào)隔振器雙體船隔振前后垂向加速度時(shí)程曲線(xiàn)(圖中加速度單位為m·s-2)，可以看出經(jīng)隔振器隔振后，雙體船平臺(tái)上垂向加速度有很大衰減。

圖5　隔振前后垂向加速度響應(yīng)

3.3仿真試驗(yàn)結(jié)論

從仿真計(jì)算結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

1) 工況一雙體船甲板最大加速度2.09×104m/s2，試驗(yàn)平臺(tái)最大加速度59.4 m/s2，達(dá)到了99%衰減率的隔振效果。工況二雙體船甲板最大加速度2.31×104m/s2，試驗(yàn)平臺(tái)最大加速度65.2 m/s2，達(dá)到了99%衰減率的隔振效果。

2) 雙體船船體沖擊響應(yīng)通過(guò)設(shè)計(jì)安裝的隔振系統(tǒng)能夠大幅衰減，特別是加速度峰值的衰減率達(dá)到99%，滿(mǎn)足隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，能夠保證測(cè)量設(shè)備的沖擊安全。

4試驗(yàn)驗(yàn)證及分析

4.1水下爆炸試驗(yàn)

為驗(yàn)證數(shù)值仿真模型建立的準(zhǔn)確性和隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)的科學(xué)性，按照仿真試驗(yàn)中隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行隔振器的選型、安裝布置以及與試驗(yàn)平臺(tái)的連接方式。水下爆炸試驗(yàn)工況如表3所示。

表3　試驗(yàn)工況

在迎爆面左右2個(gè)隔振器基礎(chǔ)及對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)平臺(tái)頂部位置、背爆面右側(cè)隔振器基礎(chǔ)及對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)平臺(tái)頂部位置共布設(shè)6個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量垂向、縱向、橫向3個(gè)方向的加速度數(shù)據(jù)。測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖6所示，測(cè)點(diǎn)A1對(duì)應(yīng)仿真計(jì)算中1號(hào)隔振器，測(cè)點(diǎn)A3對(duì)應(yīng)仿真計(jì)算中6號(hào)隔振器。

圖6　測(cè)點(diǎn)布設(shè)

測(cè)點(diǎn)A1在兩種工況下的加速度時(shí)程曲線(xiàn)如圖7(a)、圖7(b)所示。

圖7　隔振前后垂向加速度時(shí)程曲線(xiàn)

4.2試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

海上實(shí)爆試驗(yàn)結(jié)果與仿真試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表4所示。

從表4數(shù)據(jù)中可以看出，數(shù)值計(jì)算的結(jié)果和實(shí)爆試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，說(shuō)明有限元模型建立準(zhǔn)確，隔振器選型、布置方式及隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，對(duì)雙體船上測(cè)量設(shè)備能夠進(jìn)行一定的沖擊防護(hù)作用。

表4　實(shí)爆試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

5結(jié)束語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)安裝隔振系統(tǒng)后雙體船船體及試驗(yàn)平臺(tái)在水下爆炸作用下的沖擊響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，得出以下結(jié)論：

1) 采用有限元軟件ABAQUS及內(nèi)嵌的聲-固耦合方法計(jì)算水下爆炸沖擊作用下雙體船的沖擊響應(yīng)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值吻合良好，計(jì)算誤差在工程接受的范圍內(nèi)；聲-固耦合方法可以準(zhǔn)確地模擬雙體船在水下非接觸爆炸作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；

2) 由鋼制試驗(yàn)平臺(tái)和布置在雙體船甲板上的隔振器組成的隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，隔振器選型、布置方式及與試驗(yàn)平臺(tái)連接方式正確，雙體船船體垂向加速度衰減率滿(mǎn)足設(shè)計(jì)研制要求。

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(責(zé)任編輯周江川)

Numerical Simulations and Tests Investigation in UNDEX on Isolation Performance of Catamaran

LI Chen1, ZONG Zhi2, WANG Wen-guan2

(1.The No. 91439thTroop of PLA, Dalian 116041, China; 2.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, School of Naval Architecture, Dalian University of Technology, Dalian 116041, China)

Abstract:In order to test the design rationality of a catamaran vibration isolation system in UNDEX, the catamaran finite element model was established. And using the large finite element analysis software ABAQUS, we simulated the impulsion response of the catamaran structure subjected to the explosion loading after setting up vibration system, and we predicted the vibration isolation performance of catamaran by adopting fluid solid coupling method with considering the influence of cavitation effects and material strain rate strengthen effect. Simulation results show that the plastic deformation of hull bottom is significantly reduced and vertical acceleration peak decrement of hull is above 95% via the vibration isolation design of catamaran structure in UNDEX. The result of offshore explosion test verifies that the coincidence numerical simulations with test value is good and the catamaran vibration system design is rational.

Key words:catamaran; non-contact underwater explosion; ABAQUS; vibration system; vibration performance; numerical simulation

文章編號(hào)：1006-0707(2016)03-0031-05

中圖分類(lèi)號(hào)：U661.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.008

作者簡(jiǎn)介：李琛(1972—)，女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事水下爆炸測(cè)量與數(shù)值仿真研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2013cb036101)；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(510279030)

收稿日期：2015-10-18；修回日期：2015-10-29

本文引用格式：李琛，宗智，王文冠.水下爆炸雙體船隔振性能數(shù)值仿真與試驗(yàn)研究水域[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(3):31-34.

【裝備理論與裝備技術(shù)】