典型補給油船抗沖擊性能研究

程曉達 曹冬梅 尹緒超 陳海龍

（1.哈爾濱工程大學 船舶工程學院 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工業大學 航天學院 哈爾濱 150001）

0 引 言

近年來，隨著軍事競爭對海上力量的日益傾斜，水中兵器威力不斷增加，爆炸沖擊波及氣泡脈動、水射流都會對艦船生命力產生巨大的威脅［1-2］。各軍事強國對艦船遭受武器攻擊的生命力問題均開展了深入的探討［3］，我國在該領域的研究也在積極開展。為保持艦船的持續作戰能力，軍需補給系統的作用不容忽視。然而當前國內對補給艦艇的抗沖擊問題研究甚少，對于遭受水下武器攻擊時補給艦的強度問題、局部易損區域、安全性校核等問題均有待探討。

實船水下爆炸實驗費用驚人，目前一些西方發達國家也往往需要聯合幾個國家共同實施實船爆炸試驗，且涉及保密，公開的實船試驗數據非常稀少。我國在實船試驗方面起步相對較晚，但是近年來也加大了這方面的投入［4］。隨著科技的進步，數值計算的優勢日漸顯著，具有方便、可靠、經濟等特點，目前得到了廣泛應用［5-7］。本文針對某典型軍用補給油船，通過數值計算與理論相結合的方法，對該船的中遠場抗爆抗沖擊性能進行了分析計算。

ABAQUS由于其優異的非線性分析能力，在結構強度領域被廣泛應用。本文使用該軟件集成的聲固耦合法可以很好地模擬中遠場水下爆炸時沖擊波對船體結構的作用，及船體結構與水的相互耦合作用。由于接觸爆炸是個極其復雜的物理化學過程，至今仍是各國專家研究的前沿熱點問題。隨著數值仿真技術的不斷發展，各數值計算軟件百花爭鳴，互有優勢，因而本文不再詳述。

1 有限元模型建立及工況設置

1.1 船體結構及其流場有限元模型

本文所研究的是某典型補給油船結構，在進行結構抗沖擊分析前，按照設計圖紙采用通用商業軟件ANSYS對該船進行建模。主要考察該船抗沖擊性能，為保證模型的計算精度，在建模中全船所有基本結構均詳細建出；同時，對于便于加工而設計的倒角、圓孔等結構進行的合理簡化，以提高計算效率。最終建立的油船幾何模型如圖1所示。

對建立的模型進行網格劃分，并對局部結構復雜以及重點考察區域的網格進行了細化處理后，通過實驗室自主開發的接口程序將有限元模型導入到ABAQUS中進行分析。

為了真實反映艦船在海上的航行狀態，通過查閱設計圖紙，將船體內部設備及裝載以MASS質量點形式均布在各層甲板，使艦艇排水量達到設計排水量，并調整重心位置與設計值一致。根據相關資料［8］，流場的范圍在船體半寬4倍左右可以在精度和計算效率上取得很好的平衡。在導入有限元模型后，在ABAQUS中建立流場模型，并與船體裝配在一起。在船體外表面和流場表面采用TIE約束模擬爆炸后水與結構的耦合作用。船體與流場有限元模型如圖2所示。其中，全船節點總數為107746，有限元單元總數為264040。

1.2 工況設置

為綜合考慮藥量、爆距等因素的影響，本文采用沖擊因子C描述非接觸爆炸工況［9］，即

式中:W為藥包質量（等效TNT質量）；

R為爆心位置到艦船結構的最短距離。

在相同的沖擊因子下，艦船結構沖擊響應可近似相等。本文擬從三個方面綜合校核該船體結構的抗沖擊性能，即:藥包沿船長方向分布、藥包沿水深分布和不同攻角θ對船體結構的影響。

（1）工況1～工況3為藥包沿船長方向分布，取沖擊因子為0.53，藥包位置分別在船艏處、船舯處和船艉處三種情況，重點考核船舶結構響應的變化。

（3）工況4～工況6為不同爆距對船體結構沖擊響應的影響，爆點位置均在船舯正下方，分別取沖擊因子0.58、0.63、0.70進行對比分析。工況7～工況9為不同攻角下非接觸爆炸對船體結構的響應。爆點位置在船舯正下方，沖擊因子0.58，攻角分別為30°、60°、90°。 藥包布置方式如圖 3 所示:

2 計算結果分析

2.1 藥包沿船長方向分布

工況1～工況3主要考察爆心在船艏、船舯和船艉三個典型位置時，船體結構的響應沿船長的分布規律，以及在上述工況中船體結構抗沖擊性能，評估其薄弱環節。下面給出三種工況下船體結構的應力云圖，如圖4所示。

由云圖可以看出，當爆炸沖擊波到達結構表面時，由于藥包位置不同，船體結構靠近藥包位置的局部區域應力最大，并沿船長方向向其他結構傳遞，船體結構整體效應明顯。為了更直觀的研究船體響應沿船長方向分布，將該船沿船長方向平均分成20個區域，分別提取各分段的無量綱譜速度和無量綱譜加速度，通過樣條曲線繪制不同藥包位置船體沿船長方向無量綱譜速度與譜加速度分布曲線，如圖5、圖6所示。

由圖5可以看出，在爆距為60 m的遠場爆炸載荷下，隨著藥包沿船長位置的不同，船體結構的無量綱譜速度整體分布均勻，在藥包所在位置響應略微偏高，并沒有陡峭的峰值。說明在武器攻擊引起的遠場爆炸下，艦船主要體現整體響應，總體效應明顯。圖6中無量綱加速度曲線變化也較平緩，沒有出現劇烈的峰值，也很好地證明了這一點。

2.2 油船結構響應沿垂向分布

工況4～工況6主要考察不同爆距對油船結構的沖擊響應的影響，由于藥包均布置在船舯正下方，為不失一般性，分別選取船舯部位外底板及主甲板典型部位的垂向加速度時歷曲線，如圖7所示。

由圖7可見，在水下非接觸爆炸發生后，船體結構的外底板結構加速度快速增大，在0.01～0.02 s內達到峰值，這是由于外底板是船體最靠近爆心位置的結構，沖擊波最先到達，隨著爆距的減小，其沖擊波作用產生加速度峰值逐漸遞增。

對比相同工況的主甲板加速度曲線，沖擊波最先到達的外底板結構加速度曲線波形陡峭，包含大量高頻毛刺，這一般是由于沖擊波的前驅波所致。達到峰值后，外底板結構的加速度迅速減小，并在0.2 s內趨于平緩，這是由于船體外板在遭受沖擊波作用時與水產生劇烈的耦合作用，其能量很快損耗，使外板加速度很快趨近于0。而主甲板在空氣中自由振蕩，其加速度減緩的速度明顯低于外底板，在爆炸發生后0.2 s，其加速度仍在0附近上下振蕩。

沖擊波在船體結構傳遞中能量不斷衰減，通過主甲板加速度曲線可以直觀地觀察到其主甲板加速度峰值要大幅低于外底板，且具有明顯的低頻成分。這是船體結構的低通濾波效應引起的，低頻成分來自沖擊波激起的船體內部結構的固有頻率振動。

2.3 油船結構響應隨攻角分布

油船在遭受非接觸爆炸攻擊時，為考察相同爆距相同藥量下不同攻角對結構的損傷效應，定義無量綱攻擊角度為θ/（π/2），其中θ為爆炸攻擊角度，分別取 30°、60°、90°三個典型角度。 工況 7～工況 9對船體結構響應受攻角影響進行探究，其無量綱譜速度V及譜加速度A隨無量綱攻擊角的變化如圖8～圖9所示。

由圖可以看出，隨著攻角的增大，船舯部位的無量綱譜速度V逐漸增大，無量綱譜加速度A也略有增加，但整體趨勢平緩，沒有較大的變化，可以認為攻角的變化對油船結構沖擊響應影響很小。這與中遠場爆炸艦船局部效應不明顯，整體效應占主要因素有關。

3 結 論

本文采用ANSYS對某油船結構進行有限元建模，通過ABAQUS對油船模型在遭受水下武器攻擊時的非接觸爆炸載荷進行模擬計算，對不同藥包位置不同藥量對船體結構的沖擊響應的影響進行分析、總結規律，得出以下結論:

（1）武器攻擊造成的中遠場水下非接觸爆炸爆心位置對船體結構沖擊響應的分布影響很小，船上各部分的響應趨于均勻化。油船的沖擊響應主要表現為總體響應，其局部效應并不明顯。

（2）爆距對船體結構的響應有直接影響，隨著爆距的減小，艦船結構響應逐漸增大，且外底板最靠近爆點，受到非接觸爆炸的威脅最大，需適當加強。

（3）沖擊波在船體結構中的傳遞會損耗大量能量，主甲板結構響應遠小于外底板。合理的總體區劃和艙室布置可以大大提高艦船設備及人員的安全。

（4）遠場爆炸時沖擊波的球面效應不明顯，其爆炸攻角對結構響應的影響不大。

［1］張阿漫，王詩平，白兆宏，等.不同環境下氣泡脈動特性實驗研究［J］.力學學報， 2011， 43（1）:71-83.

［2］張阿漫，姚熊亮.近自由面水下爆炸氣泡的運動規律研究［J］.物理學報， 2008， 57（1）:339-353.

［3］Said Michaels.Theory and Practice of Total Ship Survivability Analysis and Design［J］.Naval Engineers Journal，1995，107（4）:191-203.

［4］Calvano Charles N，etc.Establishing the Fundamentals of a Surface Ships Survivability Design Discipline［J］.Naval Engineers Journal，1994，106（1）:71-74.

［5］王官祥，趙玫.用 ANSYS進行抗沖擊仿真［M］//汪玉.艦艇及設備沖擊響應分析技術.北京:海潮出版社，2005:179-181.

［6］王官祥，汪玉.模態分析在沖擊動力學分析中的應用［M］//汪玉.艦艇及設備沖擊響應分析技術.北京:海潮出版社， 2005:171-174.

［7］吳廣明，沈榮瀛，華宏星.大型艦船模型三維有限元振動及沖擊計算［M］//汪玉.艦艇及設備沖擊響應分析技術.北京:海潮出版社，2005:102-107.

［8］姚熊亮，張阿漫，許維軍.聲固耦合方法在艦船水下爆炸中的應用［J］. 哈爾濱工程大學學報.2005，26（6）:707-712.

［9］庫爾.水下爆炸［M］.羅耀杰等譯.北京:國防工業出版社.1960:112-116.