水下爆炸沖擊作用下艦船管路動響應研究

丁建軍 張忠宇 田昭麗 宋 瑩

（哈爾濱工程大學 船舶工程學院 哈爾濱 150001）

0 引 言

諸多戰例和實船水下爆炸試驗情況表明，艦艇在遭受較強的水下爆炸攻擊之后，盡管有可能保持船體結構完整，但會由于內部設備受到損傷而喪失生命力和戰斗力［1］。沖擊作用下，船內設備比船體結構更為敏感，可能因為較大的加速度或者位移產生損壞［2］。設備損傷已成為艦船抗沖擊問題的薄弱環節，而管路的抗沖擊能力就是保障船體內部設備功能的關鍵前提。管路系統的沖擊破壞是一個不容忽視的問題，有必要深入開展管路在水下爆炸沖擊載荷作用下的響應研究。

相對于水下爆炸載荷、船舶整體強度、船體板架和設備抗沖擊等問題而言，針對管路的研究還不夠深入和廣泛。目前，國內的研究主要基于理論推導

有限元方法以其經濟性和可操作性注定其在船舶結構、設備及管系抗沖擊研究方面具有不可比擬的優越性。有限元方法讓工程師從繁重的編程任務中解脫出來，是進行工程數值計算研究的利器。本文基于商用有限元軟件對大型船舶的輸氣管路進行抗沖擊計算研究，分析管路沖擊動響應規律。

1 計算模型

本文所研究的是船體內部管路結構，模型選自萬噸級散貨船的機艙排氣和壓縮空氣系統。管路系統的支座布置則是參照《船舶管系布置和安裝工藝要求》里面的要求［6］，法蘭、閥門等以質量塊的形式加在管路上。本文只考慮結構在沖擊載荷下的作用，不考慮熱效應以及管內壓力。

圖1為管系原理圖，左側紅色線條表示壓縮空氣管路，右側表示排氣管路。圖2為管系有限元模型示意圖。本文主要研究管路與設備之間的連接強度問題，將氣瓶、增壓鍋爐和主機等設備在模型中定義成為剛體，設備自身的結構強度和抗沖擊問題暫

圖1 管系原理圖

不考慮。管路模型主要尺寸如表1所示。

對管路采用實體建模，先在ANSYS軟件中建立幾何模型。為了獲得較好的有限元網格，在HyperMesh軟件中對其進行網格劃分。為了保證模型網格的質量，彎頭、三通等幾何復雜的區域采用三角形網格，其余規則的區域則用四面體網格掃略而成，最終模型共有41 612個單元。

一般對設備的抗沖擊評估有靜態等效法、動態設計分析法（DDAM）和時域模擬法［7］。本文采用時域模擬法對管路進行分析，管路載荷的施加選用多點沖擊譜分析方法，并以BV0430-85校核設備最嚴的工況對其加載。典型的沖擊譜曲線示意圖如圖3所示，由等位移、等速度和等加速度三段曲線組成。

圖3 典型設計沖擊譜

基于BV0430-85艦艇建造規范，按照（1）式將沖擊譜轉換為等效的時域加速度歷程曲線。

設計沖擊譜等效加速度時歷曲線，如圖4所示，由正負兩個脈沖組成。正脈沖加速度峰值大，持續時間短，負脈沖加速度峰值小，持續時間長。正脈沖面積為V2，兩個脈沖的面積相等，致使基礎最終速度為0。a2和t3為正脈沖的加速度峰值和脈寬；a4為負脈沖的峰值；t5-t3為負脈沖的脈寬。

圖4 設計沖擊譜等效加速度時歷曲線

2 結果分析

模型共有四種尺寸的管路，每種類型的管路都取典型區域的節點和單元設置考核點，定義歷史變量輸出，以便分別對管路的加速度、應力、位移響應進行分析。圖5為模型壓縮空氣管和排氣管上代表性節點的加速度曲線。

圖5 管路典型節點垂向加速度曲線

從圖5的曲線可以看出，管路的加速度曲線呈現出明顯的周期性，圖（a）、（c）、（d）都有清晰的波形，圖（b）則是一系列的高頻振動。管路模型不同部位的節點加速度曲線差別很大：在管徑、壁厚比較大的管路，管路的加速度響應比較劇烈，幅值大、頻率高；剛度較小的地方則呈現出頻率、幅值都較低的趨勢。

圖6為管路模型加速度響應與管路外徑管系曲線。可以看出，小管徑上出現很大的加速度響應，隨著管徑的增大，加速度峰值迅速衰減。管路模型中加速度響應較大者出現在細小的管路，評估管系的抗沖擊性能時應著重考核相對細小的管路。現行的《支吊架布置規范》在細小管路的支吊架布置方面應改進。

圖6 管路加速度與外徑關系曲線

圖7為管系應力云圖。從中可以看出，在彎頭和三通區域顏色較深，都是出現較大應力集中的區域。整個模型的最大應力出現在異徑三通處，達到196 MPa，超過了材料的靜態屈服極限，管路出現塑性破壞。對照圖1，可以看出在安裝管系附件的附近都會出現明顯的應力集中，這是由于管路模型的整體響應與文獻［1］描述一致。

圖7 管系應力響應云圖

圖8與 圖9分別為沖擊載荷作用下排氣管單元的Von Mises應力和等效塑性應變PEEQ曲線。

圖8 單元Von Mises應力曲線

圖9 單元等效塑性應變曲線

材料發生屈服，模型局部產生了少量塑性應變。可以發現單元是在載荷作用后很快產生塑性變形，然后保持一定的水平不再增加；管路塑性變形的產生是在載荷作用后的瞬間，幾個周期后，結構的響應迅速衰減；而局部是由于管路的大幅運動而產生塑性變形。

如下頁圖10所示，細管在沖擊載荷的作用下出現較大的彎曲。盡管塑性變形小于管路自身結構突變處產生的變形，但是也可能使結構出現塑性破壞，所以在管路抗沖擊評估時應著重考慮管路的截面突變區域及細長管段的強度。在細管上盡量少布置諸如閥門、法蘭等會給管路帶來集中質量的元器件，防止管路在沖擊作用下的應力集中。此外，現行規范約定的管路支吊架布置間距可能不能滿足管路的抗沖擊設計，導致細管在支座間由于較大的彎曲變形而產生塑性變形。

下頁圖11為模型位移曲線。從圖中可以看出，主機在沖擊載荷作用下不會產生明顯的共振，其他設備的振動頻率在10 Hz左右，壓縮空氣管路約為20 Hz，排氣管 （外徑1 312 mm）由于自身管徑和壁厚比較大，振動頻率比較低。整體上看，管路振動頻率明顯高于設備的振動頻率，管路與設備的連接處會產生相對位移。細長的管路要避免運動幅度過大，防止與其他結構產生碰撞。

圖10 管路不同時刻的變形云圖

圖11 模型位移曲線

3 結 論

本文基于有限元軟件對船舶壓縮排氣管路在水下爆炸沖擊載荷作用下的響應進行數值模擬。應用時域分析方法分析，載荷選自BV0430-85校核設備的最大沖擊環境。通過對模型動響應的研究得出以下結論：

（1）管路應力較大的區域主要集中在彎頭和三通區域，響應峰值在沖擊作用后的幾個周期內，然后迅速衰減；閥門、法蘭等附件的安裝處會由于集中質量大而產生較大的慣性力，引起局部的管路應力集中較大，容易造成連接處破壞。

（2）管路與設備連接處在受到沖擊作用后的振動過程中會產生相對位移，需要加裝補償相對位移的彈性元器件。

（3）相對細小的管路是整個管系的薄弱環節，建議在評估管系的抗沖擊性能時著重考察。

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