水下爆炸作用的單雙層圓柱殼結(jié)構(gòu)沖擊損傷特性研究

劉云龍，田昭麗，張阿漫

（1．武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064；2．哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

水下爆炸作用的單雙層圓柱殼結(jié)構(gòu)沖擊損傷特性研究

劉云龍1，田昭麗1，張阿漫2

（1．武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064；2．哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

針對(duì)圓柱殼結(jié)構(gòu)受水下爆炸載荷沖擊損傷問(wèn)題用雙漸近方法進(jìn)行研究。通過(guò)大量工況分析發(fā)現(xiàn)，圓柱殼結(jié)構(gòu)損傷模式按產(chǎn)生原因可分為直接沖擊損傷引起局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞、局部構(gòu)件橫向沖擊失穩(wěn)、殼體環(huán)向沖擊失穩(wěn)及鞭狀運(yùn)動(dòng)引起殼體縱向總體失穩(wěn)4種，爆距較近時(shí)氣泡脈動(dòng)載荷占主要成分，較遠(yuǎn)時(shí)沖擊波占主要成分。

圓柱殼；水下爆炸；沖擊波；氣泡；損傷模式

隨水下武器的發(fā)展，潛艇及水面艦船所受威脅愈加嚴(yán)峻。尤其潛艇，其結(jié)構(gòu)損傷所致后果更嚴(yán)重。因此，潛艇受水下爆炸載荷威脅頗受關(guān)注。

水下爆炸及爆炸載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊損傷過(guò)程機(jī)理較復(fù)雜，因此實(shí)驗(yàn)為最直接、有效的研究途徑［1］。然而水下爆炸實(shí)驗(yàn)屬破壞性實(shí)驗(yàn)，操作難度大、花費(fèi)高頗受限制。歐美的水下爆炸實(shí)船實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及成果均對(duì)我國(guó)禁用［2－3］，而潛艇的水下爆炸實(shí)驗(yàn)則更少。我國(guó)雖利用縮比模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，且取得諸多研究成果［4－6］，但縮比模型的尺度效應(yīng)使所得結(jié)論不能直接用于實(shí)際。因此，數(shù)值方法研究水下爆炸的破壞機(jī)理及潛艇結(jié)構(gòu)抗沖擊性能成為有效的替代手段。水下爆炸數(shù)值分析難點(diǎn)在于流固耦合分析方法，即如何準(zhǔn)確更新流體與結(jié)構(gòu)的物理量，如壓力、位移等。而對(duì)延遲積分方程（RPF）直接求解［7－9］存在數(shù)值不穩(wěn)定性，且因時(shí)間延遲項(xiàng)的存在對(duì)硬件存儲(chǔ)空間要求較高，不能用于真實(shí)結(jié)構(gòu)的水下爆炸沖擊問(wèn)題分析［3，10］。Geers［11－12］由延遲積分方程出發(fā)，通過(guò)合理簡(jiǎn)化、處理提出雙漸近方法（DAA），即對(duì)高頻段采用平面波近似，低頻段采用勢(shì)流近似，中頻段則為兩者的線性匹配，消除延遲項(xiàng)的同時(shí)獲得穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果。并將低、高頻段非線性匹配提出二階雙漸近法（DAA2），中頻段精度得以改善。

本文針對(duì)圓柱殼結(jié)構(gòu)受水下爆炸載荷作用的沖擊損傷問(wèn)題用DAA法與有限元法相耦合，計(jì)算、分析不同工況參數(shù)對(duì)其影響規(guī)律，總結(jié)圓柱殼結(jié)構(gòu)受水下爆炸載荷作用的主要損傷模式，旨在為潛艇抗沖擊設(shè)計(jì)、研究提供參考。

1 理論數(shù)值模型

1.1 水下爆炸載荷

水下爆炸物理過(guò)程較復(fù)雜，包括脈動(dòng)、射流、遷移等多種特性。Geers等［13－14］基于DAA法提出單個(gè)水下爆炸氣泡脈動(dòng)模型，含沖擊波階段與氣泡脈動(dòng)階段。前者計(jì)算結(jié)果作為后者初始條件。Geers-Hunter模型考慮流場(chǎng)的可壓縮性及氣泡內(nèi)部氣體聲學(xué)特性，在氣泡各次脈動(dòng)過(guò)程中均能真實(shí)反映氣泡最大半徑及氣泡脈動(dòng)壓力衰減。該模型考慮氣泡中心上浮，并通過(guò)以往水下爆炸氣泡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)上浮阻力進(jìn)行匹配，獲得與實(shí)驗(yàn)吻合良好結(jié)果，也因此得到廣泛應(yīng)用。

1.2 雙漸近法流固耦合模型

本文僅給出雙漸近法主要過(guò)程。基于線性波動(dòng)方程的三維空間延遲積分方程RPF［9］可表示為

將流場(chǎng)壓力分解為入射壓力Pi與散射壓力Ps，其中Pi由Geers-Hunter模型計(jì)算得到，Ps由DAA2計(jì)算得到，兩者疊加為總壓力施加于結(jié)構(gòu)。本文計(jì)算結(jié)構(gòu)響應(yīng)的FEM求解器用ABAQUS／Explicit實(shí)現(xiàn)，DAA2由Fortran用戶子程序嵌入ABAQUS求解過(guò)程［15］。

2 計(jì)算結(jié)果與討論

2.1 計(jì)算模型與工況設(shè)置

本文所選雙層圓柱殼計(jì)算模型長(zhǎng)75 m，非耐壓殼直徑9 m，厚為10 mm，耐壓殼直徑約6 m，厚約30 mm，肋距0．6m。一階濕模態(tài)頻率約2．6 Hz，單層圓柱殼模型主尺度相同，殼體厚約35 mm。外流場(chǎng)用DAA2法模擬，雙層圓柱殼舷間內(nèi)流場(chǎng)用聲固耦合法模擬，兩者在非耐壓殼處滿足連續(xù)性條件。為對(duì)比橫艙壁結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊響應(yīng)影響，雙層圓柱殼所選工況分兩種，即爆點(diǎn)位置正對(duì)橫艙壁位置及爆點(diǎn)位置正對(duì)艙段中部，分別為爆點(diǎn)A、B，見(jiàn)圖1。爆距定義為爆點(diǎn)至結(jié)構(gòu)表面最近距離。單層圓柱殼工況均為爆點(diǎn)正對(duì)艙段中部位置。

2.2 雙層圓柱殼沖擊損傷特性

為研究不同工況參數(shù)對(duì)雙層圓柱殼的塑性損傷影響規(guī)律，采用所建沖擊損傷計(jì)算方法，分析雙層圓柱殼結(jié)構(gòu)水在下爆炸沖擊載荷下的損傷模式。計(jì)算工況見(jiàn)表1。

表1 圓柱殼動(dòng)塑性損傷工況設(shè)置Tab.1 Cases of the p lastic damage of cylindricalshell strueture

2．2．1 基本損傷特性

以爆點(diǎn)位置正對(duì)艙段中部工況1為例，即455 kg TNT在200 m水深爆炸，爆距10 m，對(duì)圓柱殼受水下爆炸載荷作用的損傷特性進(jìn)行分析，見(jiàn)圖2、圖3。由兩圖看出，圓柱殼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)變發(fā)生在背爆面中部非耐壓殼體，約0．028，此為由結(jié)構(gòu)鞭狀運(yùn)動(dòng)響應(yīng)引起的軸向壓應(yīng)力導(dǎo)致板殼失穩(wěn)損傷。對(duì)迎爆面非耐壓殼體損傷特性，除沖擊波貢獻(xiàn)外在歷次氣泡脈動(dòng)峰值處非耐壓殼塑性應(yīng)變均有明顯增加，表明氣泡載荷對(duì)非耐壓殼損傷影響較大。而耐壓殼體及實(shí)肋板塑性損傷與爆點(diǎn)正對(duì)艙壁的工況3相同，完全為沖擊波載荷作用結(jié)果。背爆面盡管未直接受沖擊波、氣泡載荷作用，但此處非耐壓殼體的塑性應(yīng)變較大，且大于迎爆面塑性應(yīng)變，約為0．028，發(fā)生于0．25 s、0．45 s。由載荷曲線知，此時(shí)并無(wú)較大沖擊壓力作用于結(jié)構(gòu)，背爆面實(shí)肋板作為環(huán)向強(qiáng)力構(gòu)件幾乎無(wú)塑性應(yīng)變，因此可認(rèn)為背爆面的塑性破壞來(lái)自圓柱殼鞭狀運(yùn)動(dòng)中垂?fàn)顟B(tài)的縱向面內(nèi)壓應(yīng)力導(dǎo)致的板殼屈曲破壞。

圖2 雙層圓柱殼殼體等效塑性應(yīng)變?cè)茍DFig．2 Equivalent plastic strain contour of double cylindricalshell structure

圖3 沖擊載荷及典型位置PEEQ曲線Fig．3 Curves of loading pressure and PEEQ at typical location

2．2．2 爆距影響

爆距減小至5 m工況2見(jiàn)圖4。

由圖4看出，圓柱殼迎爆面在沖擊載荷作用下產(chǎn)生明顯凹坑，耐壓殼、非耐壓殼體均出現(xiàn)較大塑性變形，最大塑性應(yīng)變?cè)趯?shí)肋板上，達(dá)0．28，產(chǎn)生失效。采用耐壓殼體迎爆點(diǎn)撓度及各級(jí)結(jié)構(gòu)等效塑性應(yīng)變時(shí)歷曲線描述圓柱殼毀傷情況，見(jiàn)圖5、圖6。由兩圖看出，該工況圓柱殼塑性損傷為由沖擊波與氣泡聯(lián)合作用結(jié)果，1．45 m撓度中沖擊波載荷貢獻(xiàn)約0．25 m，氣泡一次脈動(dòng)壓力貢獻(xiàn)約0．75 m，氣泡二次脈動(dòng)壓力貢獻(xiàn)約0．45 m。與工況1相比，隨爆距的減小，對(duì)如實(shí)肋板、耐壓殼體強(qiáng)力構(gòu)件而言，塑性損傷主要來(lái)自氣泡一、二次脈動(dòng)壓力。因此，近距離水下爆炸，氣泡脈動(dòng)載荷較沖擊波載荷的毀傷作用更明顯，其影響不可忽視。

圖6 沖擊載荷及典型位置PEEQ曲線Fig．6 Curves of loading pressure and PEEQ at typical location

圖4 雙層圓柱殼殼體等效塑性應(yīng)變?cè)茍DFig．4 Equivalent plastic strain contour of double cylindricalshell structure

圖5 迎爆面耐壓殼撓度曲線Fig．5 Curves of loading pressure and at the blast side

圖7 沖擊載荷及典型位置PEEQ曲線Fig．7 Curves of loading pressure and PEEQ at typical location

2．2．3 藥量影響

考慮工況3，將藥量增加到1 000 kg。殼體典型位置處等效塑性應(yīng)變時(shí)歷曲線見(jiàn)圖7。由圖7看出，較455 kg工況1，隨藥量增加，各級(jí)結(jié)構(gòu)塑性損傷均明顯增大。其中迎爆面實(shí)肋板塑性變形基本為沖擊波載荷作用結(jié)果，耐壓殼塑性應(yīng)變中沖擊波貢獻(xiàn)僅0．01，占總應(yīng)變的1／3。

2．2．4 水深影響

為分析水深對(duì)圓柱殼結(jié)構(gòu)受水下爆炸載荷作用的動(dòng)塑性響應(yīng)特性影響，分別將不同水深時(shí)殼體結(jié)構(gòu)455 kg裝藥攻擊的迎爆面撓度曲線進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖8。由圖8看出，隨水深增加圓柱殼結(jié)構(gòu)耐壓殼體撓度逐漸增大。H＝100 m時(shí)圓柱殼塑性損傷主要為沖擊波與一次脈動(dòng)壓力結(jié)果；H＝200 m時(shí)二次脈動(dòng)壓力亦對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯損傷效果；H＝300 m時(shí)前四次氣泡脈動(dòng)壓力均有一定損傷效果。因此，水越深氣泡脈動(dòng)載荷作用效果越大。由于作用于結(jié)構(gòu)的載荷為爆炸載荷與靜水壓力合力，而深水處?kù)o水壓力更大，使合力的聯(lián)合作用效果更顯著。對(duì)背爆面，僅有H＝100 m時(shí)產(chǎn)生明顯塑性變形，主要來(lái)自鞭狀運(yùn)動(dòng)所致結(jié)構(gòu)縱向失穩(wěn)，而環(huán)形塑性變形繼續(xù)發(fā)展會(huì)在圓柱殼此位置產(chǎn)生塑性鉸，危及艦艇生命力。

圖8 不同水深下耐壓殼體撓度曲線Fig．8 Deflection curves of pressure shell at different depth

2．2．5 爆點(diǎn)縱向位置影響

以工況6為例，分析爆點(diǎn)縱向位置對(duì)圓柱殼沖擊損傷影響。圖9為典型位置等效塑性應(yīng)變與沖擊載荷曲線。由圖9看出，較工況1結(jié)果，因橫艙壁的支撐作用，迎爆面實(shí)肋板損傷略有減小；但由于中部剛度突變，使耐壓殼的塑性應(yīng)變明顯增加。圓柱殼迎爆面非耐壓殼、實(shí)肋板及耐壓殼最大塑性應(yīng)變分別為0．028、0．012、0．008。其中非耐壓殼損傷由沖擊波與氣泡的聯(lián)合作用，而實(shí)肋板與耐壓殼的塑性應(yīng)變則主要由沖擊波作用結(jié)果。該工況背爆面因鞭狀運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的失穩(wěn)損傷更嚴(yán)重。

2.3 單層圓柱殼損傷特性

分析研究單層圓柱殼受水下爆炸沖擊載荷作用的損傷特性，對(duì)比單雙層圓柱殼抗沖擊性能。以455 kgTNT在100 m水深10 m爆距時(shí)對(duì)殼體的沖擊損傷為例，見(jiàn)圖10、圖11。由圖10看出，水深為100 m時(shí)殼體迎爆面中部塑性損傷非常明顯，損傷形式為縱向殼體失穩(wěn)，但圖11中迎爆面塑性應(yīng)變?cè)跉馀菀淮蚊}動(dòng)載荷峰值出現(xiàn)位置急劇增加，表明實(shí)際損傷由鞭狀運(yùn)動(dòng)引起的總體縱向失穩(wěn)與直接沖擊損傷聯(lián)合作用結(jié)果。

增加上工況藥量，并與其對(duì)比以考察不同藥量對(duì)總體損傷影響。藥量增加到1 000 kg時(shí)結(jié)構(gòu)在整個(gè)艙段范圍內(nèi)產(chǎn)生嚴(yán)重橫向屈曲破壞，表現(xiàn)為環(huán)向4個(gè)明顯凹坑，會(huì)直接威脅潛艇生命力，見(jiàn)圖12。而由圖13、圖14看出，沖擊波載荷作用期間結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變與撓度不明顯；在氣泡一、二次脈動(dòng)壓力與靜水壓力聯(lián)合作用下結(jié)構(gòu)逐次失去承載能力，發(fā)展為整個(gè)艙段環(huán)向失穩(wěn)。此破壞模式在雙層殼體結(jié)構(gòu)計(jì)算中未出現(xiàn)，表明雙層殼體結(jié)構(gòu)的環(huán)向屈曲強(qiáng)度具有較大優(yōu)勢(shì)。

圖9 沖擊載荷及典型位置PEEQ曲線Fig 9 Curves of loading pressure and PEEQ at typical location

圖10 單層圓柱殼結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變?cè)茍DFig．10 Equivalent plastic strain contour of single cylindrical shell

圖11 沖擊載荷及典型位置PEEQ曲線Fig．11 Curves of loading pressure and PEEQ at typical location

圖12 單層圓柱殼結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變?cè)茍DFig．12 Equivalent plastic strain contour of single cylindrical shell

圖13 沖擊載荷及典型位置PEEQ曲線Fig．13 Curves of loading pressure and PEEQ at typical location

圖14 迎爆面耐壓殼撓度曲線Fig．14 Curve of deflectionat blast side of pressure shell

3 結(jié) 論

本文基于DAA2建立雙層殼體結(jié)構(gòu)在爆炸載荷下的動(dòng)塑性流固耦合分析方法，分析不同藥量、爆距、水深、爆點(diǎn)位置等工況參數(shù)對(duì)水下爆炸載荷作用下雙層圓柱殼結(jié)構(gòu)動(dòng)塑性損傷影響規(guī)律，初步分析單層圓柱殼損傷特性。分析計(jì)算結(jié)果，結(jié)論如下：

（1）在研究的參數(shù)范圍內(nèi)圓柱殼結(jié)構(gòu)受水下爆炸載荷作用的損傷模式主要有直接沖擊損傷引起的局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞、橫艙壁及實(shí)肋板等局部構(gòu)件沖擊失穩(wěn)、殼體環(huán)向沖擊失穩(wěn)及鞭狀運(yùn)動(dòng)引起的殼體總體縱向失穩(wěn)；

（2）圓柱殼體迎爆面的塑性損傷主要由爆炸載荷直接作用，且隨水深增加逐漸增大。背爆面塑性損傷主要由結(jié)構(gòu)鞭狀運(yùn)動(dòng)所致縱向殼板失穩(wěn)，不與水深變化呈單調(diào)關(guān)系；

（3）爆炸載荷直接作用產(chǎn)生的沖擊損傷，爆距較大時(shí)主要來(lái)自沖擊波載荷；爆距逐漸減小時(shí)氣泡脈動(dòng)載荷作用逐漸明顯，逐漸占主要部分；

（4）橫艙壁剛度較大，對(duì)限制橫向沖擊變形具有一定效果，可減小臨近實(shí)肋板的沖擊損傷，但對(duì)耐壓殼塑性損傷及鞭狀運(yùn)動(dòng)所致縱向板殼失穩(wěn)無(wú)明顯改善效果。

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［15］Abaqus’User’s Manual［CP／DK］．Version 6．8．1 SIMULIA，2008．

Damage of cylindrical shell structure subjected to underwater explosion loading LIU Yun-long1，TIAN Zhao-li1，ZHANG A-man2

（1．Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China；
2．Collage of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

As the classic configuration of submarine is like a cylindrical shell，the dynamic responses and damage characteristics of cylindrical shell structures have always been concerned by researchers．The damage caused by underwater explosion load was studied by using double asymptotic approximationsmethod．The plenty analysis of cases，shows that the damagemode can be classified by the cause，such as local strength failure caused by direct impact load，dynamic buckling of local components，circumferential buckling of shell structure，and axial buckling of shell structure caused by whipping responses．Besides，the shock wave and bubble pulsation load are the dominating factors in far and near underwater explosion cases．

cylindrical shell structure；underwater explosion；shock wave；bubble pulsation load；damage form

U663

：A

10．13465／j．cnki．jvs．2014．22．032

國(guó)家安全重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目子專題（613157）；教育部高等學(xué)校博士學(xué)科與專項(xiàng)科研基金（20122304110001）；國(guó)防基礎(chǔ)科研計(jì)劃（B2420133001）

2013－07－02 修改稿收到日期：2013－10－23

劉云龍男，博士生，1988年5月生

張阿漫男，博士，教授，1981年生