艦船舷側防護結構水下接觸爆炸動響應分析研究

楊樹濤 朱永凱 焦 磊

哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

艦船舷側防護結構水下接觸爆炸動響應分析研究

楊樹濤 朱永凱 焦 磊

哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

艦船舷側防護結構在接觸爆炸載荷作用下的動響應問題是艦船抗爆抗沖擊設計的重要組成部分。根據國外水面艦船防護結構形式，在某單層舷側艦船模型基礎上增設舷側防護隔壁結構，并應用國際上通用的動力有限元程序ABAQUS對其進行水下接觸爆炸系列數值仿真實驗，考核舷側防護結構對艦船抗爆抗沖擊性能的影響。通過結果的對比分析發現，增設舷側防護結構后較明顯改善了船體外板的損傷情況，且防護隔壁僅發生了少量的塑性變形沒有產生破口，從而達到了保護內部機艙等重要艙室的目的，并以防護結構雙層隔艙內填充液體抗沖擊性能最佳。

水下接觸爆炸；防護結構；數值仿真；抗沖擊性能

1 引言

近年來，隨著現代兵器技術和精確制導技術的發展，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，關于單層板 殼［1-2］及簡單板架結 構［3-5］在接觸 爆 炸 載 荷 作用下的研究成果較多，但對于結構相對較為復雜的多層板殼［6-7］及艙段模型［8］研究甚少，對于整船結構的研究幾乎還沒有開展過。因此，研究水下接觸爆炸載荷作用下艦船結構的動響應特征具有重要的現實意義和工程應用價值。

針對艦船舷側相對較弱的現狀，本文根據西方現役艦船舷側防護結構設計形式，在某單層舷側艦船模型基礎上增設舷側防護隔壁結構，并應用數值仿真的方法對不同模型的抗沖擊性能進行了對比分析。研究結果表明：增設舷側防護隔壁結構后較明顯改善了船體外板的破壞情況，且防護隔壁只發生了少量的塑性變形沒有產生破口，從而達到了保護內部機艙等重要艙室的目的，并以防護結構雙層隔艙內填充液體抗沖擊性能最佳。這可以為今后新型舷側防護結構形式設計提供參考。

2 舷側防護結構設計

文中計算模型為根據西方傳統艦船虛擬某小型水面艦船，該艦為單層舷側結構，其典型橫剖面如圖1所示，為敘述方便，將其稱為模型1。

為了研究舷側防護結構對提高艦船結構抗爆抗沖擊性能的影響，本文在模型1的基礎上為該艦增設舷側防護隔艙：即在船舯舷側部分增設一層縱向防護隔壁，該隔壁在水線部位距舷側大約1m，并與舷側外板及兩端橫艙壁組成水密隔艙，在防護隔艙內縱向每隔3 m（約6個肋位）設置一道橫隔壁，每道橫隔壁中間開人孔以減輕重量，將防護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，防護隔艙中注入80%的水時，稱為模型2-1，而防護隔艙僅為一層空艙時，稱為模型2-2。

總結上述說明，按照結構型式的不同，文中共分析了3種計算模型，具體如表1所示。

表1 不同舷側結構模型

3 有限元數值仿真

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對該艦進行建模，有限元模型采用笛卡爾坐標系，坐標原點取在基線上第 125號肋骨處，x軸重合于基線，向艦首方向為正；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。

有限元網格劃分時，考慮到船體結構遭受水下魚雷接觸爆炸時，其結構必然受到爆炸沖擊作用產生塑性變形甚至破壞，而采用數值手段模擬這種瞬間、高應變率的破壞過程，需要將結構網格細致劃分。而且水下接觸爆炸對結構造成的損傷破壞范圍主要局限于武器彈著點附近，相對于整船來說，可以視為局部問題，故本文采用局部網格加密技術對該艦船進行有限元網格劃分，即在在武器彈著點附近進行局部網格加密。具體來說，艦船總體網格尺寸為 0.3～0.5 m，局部加密處尺寸為0.05～0.08 m，整 個 模 型 單 元 規 模 總 數 達 到 了728 450，其中包括636 500個殼單元和91 950個梁單元。這樣可使在保證計算精度的前提下，大大提高數值試驗的計算效率和工程應用價值，某艦具體有限元網格模型如圖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與結構的耦合作用，這里在ABAQUS中對某艦周圍流場進行數值建模。在數值模擬過程中，外部流場網格劃分的因素起到了關鍵作用，流場網格劃分的大小與沖擊載荷的頻率成分有關。在實際工作當中，往往需要憑借經驗來判斷網格的密度。文獻［9］認為如果要使分析結果和實驗比較吻合，結構以及結構周圍的流場一般在一個沖擊波波長內至少有10～25個網格，而外部流場在一個沖擊波波長之內大約有1～5個網格即可。對于大模型來說，通常在流固交界面附近采用高精度網格，而其余流場網格可以略粗一些。結合船體模型，最終形成某艦與其周圍流場的整體有限元模型，如圖5、圖6所示。

3.2 材料模型及單元失效準則

在水下接觸爆炸這種瞬態強沖擊載荷作用下，船體材料應變率效應特別明顯，本文采用與試驗結果吻合較好的Cowper-Symonds材料模型［10］，來合理地考慮應變率對材料性能的影響，以正確判斷結構損傷情況。

數值仿真計算中，采用了等效失效應變準則判別材料的失效，綜合考慮本文的失效應變可取為 0.28。

3.3 計算工況設置

為了更好地對比分析舷側防護結構的抗爆抗沖擊性能，3種舷側模型的計算工況保持一致：即藥包質量分為 40 kg、65 kg兩種，爆距為 0.3m，且藥包置于船舯舷側水下2m處，以模型1為例，藥包相對位置如圖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 計算結果分析

4.1 艦船動響應分析

經過數值仿真計算，可得到不同工況下船體結構接觸爆炸載荷作用下的響應特征，這里以模型2-1在65 kg藥包爆炸工況下艦船動態響應為例，給出某時刻舷側接觸爆炸載荷下船體結構響應云圖，如圖8，圖9所示。可見，在接觸爆炸載荷作用下船體結構在彈著點附近響應最為劇烈，甚至出現破口，而隨著距彈著點距離的增加結構響應迅速衰減，具有明顯的局部性特征。所以，采用局部網格細化的方法可以很好地模擬接觸爆炸載荷作用下的艦船結構動響應特征。

下面給出了舷側接觸爆炸工況下船體甲板不同位置加速度響應時歷曲線，如圖10～圖12所示。

從圖10～圖12可以看出，船體響應以高頻成分為主，且船體中部距離藥包最近，沖擊波最先作用于該處，響應也最劇烈。從時域峰值來說，中部響應峰值幾乎是尾部、首部的幾倍甚至十幾倍，這也再次驗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重。在沖擊波載荷作用下，一般認為當船體外板的應力達到了材料的屈服應力時，就會產生塑性變形；隨著載荷的進一步作用及結構慣性的影響，船體板會進一步發生變形，等效塑性應變隨之增加，直至達到材料的失效應變，船體外板出現破口。

通過結果分析發現，船體外板發生塑性變形區域較大，尤其是在外板與剛性較大支撐構件的連接部位，如外板與各甲板、平臺，內底板與艙壁相交位置產生的塑性變形最大。為了比較不同舷側防護隔艙模型對船體結構抗爆抗沖擊的影響，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中結果表明，在舷側水下接觸爆炸載荷作用下，增設舷側防護結構后較明顯地改善了船體外板的損傷情況：相對于單層舷側的模型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%；塑性變形區域分別縮小了 57.8%～62.3%和 42.3%～45.3%。 這體現出防護隔艙在一定程度上降低了外板的損傷范圍，增強了船體外板的抗爆能力，起到保護內部艙室的效果。與此同時，隨著藥包質量的增加，舷側防護隔壁對整個船體結構的防護作用越明顯。并且以模型2-1改善效果最好，這是由于隔艙內的液體在爆炸沖擊波作用過程中通過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 防護隔壁破口及塑性變形范圍

作為防雷艙，艦船舷側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入內部重要艙內，以增強艦船整體的抗爆能力。為了更加深入地研究防護隔壁結構在爆炸載荷作用下的損傷情況，這里給出了設有舷側防護結構的模型2-1及模型2-2在舷側接觸爆炸載荷作用下防護隔艙隔壁的塑性變形及破口范圍，具體結果如表3所示。

表3 不同工況下各模型防護隔壁塑性變形及破口范圍

計算結果表明，模型2-1及2-2的防護內壁均沒有出現破口，這就形成了保護內部重要艙室的第二道屏障，對于艦船內部結構起到了很好的防護作用。同時可以看出，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%，可見艙內注液體更有利于舷側防雷。

5 結論

本文應用數值仿真的方法對某艦在水下接觸爆炸載荷作用下的動態響應過程進行了模擬。對比分析了增設防護隔壁的兩種舷側防護結構模型與原模型抗爆抗沖擊性能，得到主要結論如下：

1）水下接觸爆炸具有明顯的局部性損傷特征，有限元建模時采用局部網格細化技術可以保證計算精度的同時大大提高計算效率。

2）不同工況下，塑性區域均多出現在船殼與較強構件相交處，如外板、平臺與艙壁相交處等。與此同時，船體結構動響應以高頻為主，且幅值隨時間衰減很快。

3）在舷側接觸爆炸情況下，相對于單層舷側的模型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%；塑性變形區域分別縮小了 57.8%～62.3%和 42.3%～45.3%。這體現出防護隔艙在一定程度上降低了外板的損傷范圍，增強了船體外板的抗爆能力，起到保護內部艙室的效果。并且以雙層隔艙內注入液體效果最好。

4）當船體外板產生了比較大的破口時，防護隔壁只發生了少量的塑性變形，并沒有產生破口，形成了保障船體結構安全性的第二道屏障，從而達到了保護內部機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

楊樹濤（1984－），男，碩士。研究方向：船舶結構動力學。E-mail：shutaoyang2008＠ hotmail.com