船體與增壓鍋爐一體化抗沖擊研究

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(哈爾濱工程大學 機電學院，哈爾濱150001)

無論是水面艦艇還是潛艇，其關鍵設備均應進行沖擊試驗。水下沖擊試驗固然可以獲得準確可靠的結果，但它是一種極其昂貴的破壞性試驗，人力投入大，且由于問題本身的強非線性特征和不確定性也使實驗結果存在很大的局限性。而且設備沖擊試驗存在很多不足之處，如受沖擊機和浮動沖擊平臺限制，一些很大而且很重的機械設備無法進行沖擊試驗[1-4]。為模擬水下爆炸，實際載荷的時域曲線按BV043/85取為一個正波和一個負波的組合[5-6]。由于整船和船上設備之間的沖擊環境的多樣性，沖擊機不可能精確再現船上設備在某一特定地點的沖擊環境，或是設備與船體結構之間的相互耦合作用。艦船設備所在位置因艦艇沖擊所形成的局部沖擊環境不容易取定，設備的破壞形式也不清楚。因此采用試驗的方法進行水下爆炸的數值模擬[7]。

目前大多數設備的沖擊載荷以沖擊譜的形式給出，采用時域分析時需要將沖擊譜轉換為等效的時域加速度曲線，進而對各考核方向進行加載[8]。而在實際情況中，從炸藥爆炸到沖擊波、氣泡脈動形成，然后傳遞到艦艇結構，進而傳遞到艦船設備，在時間上是連續發生的，并且互相耦合、互相作用[9]。為此，將設備安裝于船體之內，進行船體設備一體化計算，以期準確描述設備的局部沖擊環境，分析設備響應。

1 船體增壓鍋爐一體化有限元模型

按照真實情況，增壓鍋爐與船體基座之間采用剛性連接。增壓鍋爐經裝配后的有限元模型見圖1、2。

圖1 船體與增壓鍋爐一體化有限元模型

圖2 加流場后船體與增壓鍋爐一體化有限元模型

2 工況設置

在船舯下方60 m處放置1 000 kg TNT，見圖3。

圖3 船體設備一體化加載示意

這種非接觸爆炸通常不會使船體產生嚴重的破損而導致艦艇的沉沒，但是可能引起船體劇烈的振動和較大塑性變形，大面積破壞艦船機械設備和電子儀器，并且增壓鍋爐位于靠近船艉位置，水下爆炸產生的沖擊在增壓鍋爐三個方向的作用都不可忽略，適用于研究設備分別在垂向、橫向、縱向上與船體耦合沖擊響應。加載曲線見圖4。

圖4 沖擊波加載曲線

為比較設備-船體一體化抗沖擊計算結果與采用BV0430/85中沖擊試驗結果，將圖4工況轉換為等效加速度時歷曲線加載至設備，工況見表1。

表1 增壓鍋爐沖擊試驗工況設置

將增壓鍋爐-船體一體化沖擊方法簡稱為一體化方法，而BV0430/85中的時域加載法簡稱為BV方法。

3 數值試驗結果對比分析

根據所列工況對增壓鍋爐進行一體化計算和3個方向BV方法加載計算，鍋爐-設備一體化某時刻的響應云圖見圖5。

圖5 鍋爐-設備一體化某時刻應力云圖

在船舯下方的藥包爆炸之后沖擊波傳遞到船體，沖擊作用在船體結構中傳遞到增壓鍋爐基座處，船體與增壓鍋爐的沖擊響應是相互影響，相互耦合的過程。這與BV方法中有所不同，BV方法單獨對設備進行單方向的沖擊試驗，設備沖擊響應不計及設備與實際安裝環境之間的相互作用。一體化計算方法與BV方法計算的同一時刻增壓鍋爐應力云圖見圖6。

圖6 同一時刻增壓鍋爐內殼響應應力云圖

對比圖6中的應力云圖，在船體設備一體化抗沖擊計算中，增壓鍋爐的響應最惡劣，內殼上大面積出現了較大應力區域；由于垂向沖擊輸入最大，BV方法垂向沖擊響應相對其它兩個方向最惡劣，但比一體化計算結果要緩和一些。可見采用一體化方法所得設備的沖擊環境最為惡劣。取增壓鍋爐設備上典型位置單元的Mises應力極值對比見圖7。

圖7 典型位置單元的Mises應力極值對比

BV方法在不同的沖擊加載方向下與一體化加載方法相同考核點的相對誤差不同，相對來說一體化與垂向加載的結果相差最小，最小為20%。采用一體化計算設備的沖擊響應最劇烈，比相當工況下的BV方法計算的設備沖擊響應要大很多。這就可能出現設備雖在進行沖擊試驗時合格，但安裝在艦艇上時，設備的局部惡劣沖擊環境會使其遭受破壞。

4 增壓鍋爐在三向協調加載下的沖擊響應分析

采用BV方法分別對增壓鍋爐三個方向進行加載，發現每個方向的響應都顯著小于一體化計算結果。由于BV方法計算工況與一體化計算工況相當，單獨方向加載計算結果出現的設備響應過小;采用三個方向即橫向、縱向、垂向同時協調加載的方法，將BV方法三個方向的加速度激勵同時加載到增壓鍋爐基座上，再與一體化結果進行對比，從而更進一步分析兩種計算方法的區別。

圖8給出了增壓鍋爐在三向協調加載工況下與一體化工況下，某兩考核單元的Mises應力時歷曲線，同時也給出了與上節中BV方法垂向加載工況結果對比。可以看出，采用三向協調加載的方法，對于不同的部位響應程度不同，但總的來說相對于BV方法單向加載更加劇烈，但是與設備-船體一體化加載方法相比，其響應仍是較弱。取增壓鍋爐設備上某些考核單元的Mises應力極值對比見圖9。

圖8 不同加載方法下增壓鍋爐某考核單元Mises應力響應

圖9 增壓鍋爐設備上某些考核單元的Mises應力極值對比

可以看出，設備-船體一體化工況比BV三向協調加載工況下的響應要劇烈，針對不同的部位，可能響應劇烈程度相差大至54.96%，相差程度小的也有8%。而三向協調加載工況下的鍋爐響應并不絕對大于垂向沖擊工況，這說明三向同時加載對于鍋爐某些部位可能反而會減緩沖擊。

5 討論

對非接觸水下爆炸和非直接命中(對設備)而言，鍋爐與其所在整個艙室甚至船體為一體，其沖擊響應必然與艙室結構有關。對設備的抗沖擊響應分析來說，艙室的沖擊響應特性是基本環境，必須對這個環境進行準確描述后，分析增壓鍋爐的沖擊響應才有前提。實際增壓鍋爐在底座處的沖擊輸入在各點是不同的，以垂向為例，在底座不同部位選取4個考核點，見圖10。水下爆炸沖擊下基座不同位置處加速度響應見圖11。

圖10 考核點示意

圖11 船體增壓鍋爐一體化水下爆炸沖擊下基座不同位置輸入加速度時歷曲線

由圖11可以看出，在水下爆炸工況下，設備基座處所受到的加速度激勵作用隨著基座不同位置也是不同的，且有較大差異。說明在模擬爆炸沖擊作用時不能簡單地在設備基座各處輸入采用同一沖擊波形。

圖12給出了對應于圖10中4個位置加速度曲線的頻譜分析曲線。

可見，對于設備的沖擊輸入，在不同位置處的頻率成分也是不同的。這就說明了采用BV單向加載分析以及三向協調加載情況，簡單地認為在設備基座各處輸入采用同一沖擊波形，與真實沖擊環境不符。同時，設備與船體的耦合作用與邊界條件也是不可忽略的。只有采用增壓鍋爐-船體一體化分析，才能對增壓鍋爐與船體之間相互耦合作用真實模擬，而其余兩種方法都無法考慮設備與船體之間的耦合作用，三向協調加載雖考慮3個方向沖擊作用的耦合，但僅是對增壓鍋爐單獨進行沖擊計算，與船體結構之間的耦合作用卻是無法考慮。

圖12 船體增壓鍋爐一體化水下爆炸下基座不同位置輸入加速度激勵的頻譜分析

以上因素造成了BV加載法不能準確再現設備在艦上的沖擊環境，或是設備響應與船體結構運動的交互作用。因此，很有可能出現對設備進行沖擊試驗時是合格的，而設備安裝在艦艇上時，設備所在的局部惡劣沖擊環境會使該設備遭到破壞。并且艦艇上設備所在位置由于艦艇沖擊所形成的局部沖擊環境不同，設備的破壞形式也不清楚。

6 結論

1)BV單向加載時垂向響應比橫向和縱向響應大。

2)結構在一體化方法加載下沖擊響應最嚴重，采用一體化加載評估更安全。

3)三向協調加載時，結構響應仍弱于一體化工況，并且在某些部位的響應甚至小于BV垂向加載工況。

4)采用BV單向加載分析以及三向協調加載情況，簡單地在設備基座各處輸入同一沖擊波形，與真實沖擊環境不符。

5) 設備與船體的耦合作用及邊界條件是不可忽略的，只有采用增壓鍋爐-船體一體化分析，才能真實模擬增壓鍋爐與船體之間相互耦合作用。

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