基于LS-DYNA對于艦艇艙室焊縫模擬方法

黃雪峰，樊壯卿，王偉力，傅磊，姜穎資

（海軍航空工程學院a.研究生管理大隊；b.兵器科學與技術系，山東煙臺264001）

基于LS-DYNA對于艦艇艙室焊縫模擬方法

黃雪峰a，樊壯卿a，王偉力b，傅磊a，姜穎資a

（海軍航空工程學院a.研究生管理大隊；b.兵器科學與技術系，山東煙臺264001）

探討了3種方法等效模擬焊縫結構：材料賦值法，等效接觸法，等效約束法；對比分析了3種方法建模的簡便性、計算的耗時性、結果的準確性。材料賦值法可以準確反映艙室焊縫結構最先出現破口的位置以及破口延伸過程；等效接觸法建模與網格劃分過程簡單，計算時間適中，準確度較高；等效約束法網格劃分要求節點不重合，計算時間較短，但焊點個數設置不易把握。

艦艇艙室；內爆炸；焊縫；數值仿真

隨著現代反艦武器的迅速發展，各種高性能的半穿甲反艦戰斗部成為水面艦艇水線以上部分側舷的主要威脅，其對艦攻擊破壞特點是穿透艦艇舷側外板在艙室內部發生爆炸，大大增加其對艦艇的爆炸毀傷威力。比較靶船結構的破壞模式與敞開環境下加筋板架結構的破壞模式可知，艙內封閉空間中的爆炸沖擊載荷遠較敞開環境中的爆炸載荷復雜。因此，研究艙內爆炸效應對于艦艇毀傷研究十分重要[1-3]。

美國等軍事強國曾多次進行反艦導彈打擊退役艦艇的驗證試驗[4]。然而實彈打擊實船試驗，對測量技術有很高的要求，花費巨大，試驗周期長，試驗重復性差。國內研究艙室內爆炸主要通過模型試驗與數值仿真分析。侯海量、朱錫等采用典型艙室結構進行了縮比艙內爆炸模型試驗，并通過商用有限元軟件MSC/DYTRAN仿真分析得出艙內加筋結構的失效模式[5]。魏繼峰等[6]建立小體積簡化艙室進行了試驗應用商用軟件仿真分析艙內失效模式。艙室結構上甲板、下甲板、側舷、扶強梁等結構都是通過焊接方式連接在一起。大部分焊縫結構位于艙室角隅處，由于沖擊波在角隅處的匯聚作用及焊縫處殘余應力等因素的影響，焊縫處容易出現失效被撕裂破口[7-9]。因此，在艙室內爆炸數值仿真中如何等效模擬焊縫結構是艙室內爆炸數值仿真的關鍵。

本文以高動態非線性有限元軟件LS-DYNA為例，探討了3種模擬焊縫的方法：材料賦值法，等效接觸法，等效約束法。對比分析了3種方法在建模的簡便性，計算的耗時性，結果的準確性。

1 模擬方法及失效原理

1.1 材料賦值法

艦艇艙室結構無論采用何種焊接技術，連接處焊接物質的材料特性如密度、屈服強度、斷裂強度、彈性模量、泊松比、失效應變等都可以通過實驗測得。材料賦值法即是在獲得以上材料參數的基礎上進行數值仿真分析。運用材料賦值法在建立艙室結構模型時將艙室結構建為一體，在艙壁連接處“切出”2～3 cm的部分，“切出部分”賦予焊縫材料參數，其他部分賦予船用鋼材料參數。在數值計算過程中，根據選用的材料模型與狀態方程的不同，判別是否失效，若達到失效標準，則單元被刪除。圖1中，模型采用實體164單元，網格采用映射網格，均為六面體八節點拉格朗日網格，計算精度高，角隅艙壁連接即為預先“切出”的賦值部分。選用的材料模型采用應變率相關和失效相結合的各向同性塑性隨動硬化模型：

式（1）～（4）中：σ0為常溫下靜態屈服強度；σy為不同溫度下的屈服強度；σd為不同應變率下材料的動態屈服強度；E為彈性模量；Eh為應變硬化模量；εp為等效塑性應變；ε˙為等效塑性應變率；D、n為材料應變率常數；T為溫度。

爆炸沖擊波到達角隅處產生匯聚，當強度達到焊縫的失效強度，焊縫材料出現失效，單元被刪除，當大面積被刪除時，即艙壁角隅產生破口被撕裂。

圖1 材料賦值法仿真模型Fig.1 Simulation model of material value assignment method

1.2 等效接觸法

等效接觸法在模型建立過程中可以將艙室上、下甲板及側舷、橫壁等分開建模，在角隅處接觸的地方設定合適的接觸類型等效模擬焊接連接。常用的接觸類型有面面接觸中的固連失效接觸（TSTS）類型。艙室內爆炸過程中，炸藥爆炸產生沖擊波與爆轟產物迅速向艙室內傳播，到達艙壁對艙壁作用，使艙室膨脹拉伸在角隅處產生撕裂破口，因而可以將爆炸形成的破壞載荷等效為法向載荷與切向載荷。

圖2為采用等效接觸法建立的仿真模型，采用實體164單元，均為六面體八節點拉格朗日網格，不要求交界處的網格相互對應，網格較粗的為主面，網格較細的為從面。

圖2 等效接觸法仿真模型Fig.2 Simulation model of equivalent contact method

采用固連失效接觸，其失效準則符合

式（5）中：FN為法向動態失效應力；FS為切向動態失效應力；σN為法向應力載荷；σS為切向應力載荷。

1.3 等效約束法

等效約束法同等效接觸法建模方法類似，其模型與圖2類似，區別之處在于通過定義一組點焊約束來等效模擬焊接連接。其原理是將破壞載荷等效為法向載荷與切向載荷。而艙室內爆炸中，艙壁受爆炸載荷作用之后，角隅處的破壞載荷也可等效為法向拉伸載荷與切向剪切載荷共同作用的效果，符合等效約束失效準則。

失效準則可以表達為

式（6）中：fN、fS分別是點焊的動態法向和切向力；SN、SS分別為點焊的法向和切向破壞力；α、β分別為失效準則中法向力和切向力指數，一般情況下取值為2。

點焊要求2部件之間的節點不重合，節點之間的邊界是無質量的和剛性的，且除此約束之外沒有其他任何約束，因而要求交界面處的網格必須不對應。

2 破壞效果及對比分析

2.1 艙內爆炸描述

炸藥在艙內爆炸形成沖擊波向周圍傳播，當沖擊波到達艙壁結構后，在艙壁表面形成反射沖擊波，部分向爆心匯聚，另一部分沿艙壁傳播，當傳播到艙室角隅部位時，沖擊波匯聚，強度疊加；向爆心匯聚的反射沖擊波相互作用形成二次沖擊波，對結構產生二次沖擊。由于艙室結構限制，爆炸產生的高溫、高壓氣體無法及時向外擴散，以上反射與匯聚反復多次，能量逐漸衰減，艙內流場形成準靜態壓力。艙室角隅處容易造成沖擊波和爆轟產物的匯聚，匯聚作用引起角隅處壓力峰值增大，甚至大于初始沖擊波波峰，焊縫連接處為艙室結構的角隅處，在爆炸載荷作用下最易發生破裂。

2.2 仿真結果

采用上述3種方法模擬艙室內爆炸中艙壁交界處的焊縫，模型均為實體164單元，艙壁所選用的采用塑性隨動材料Plastic-Kinematic模型[10-12]，材料參數為船用907鋼，具體參數見表1。

表1 艙室的材料參數Tab.1 Material parameters of cabin

艙室內炸藥均為65 kgTNT裸裝藥，裝藥密度為1.54 g/cm3，位于艙室幾何中心，炸藥質量相等起爆方式為中心起爆；艙壁均采用拉格朗日算法，空氣和炸藥均采用多物質歐拉算法，對稱面施加對稱約束，空氣四周全部采用透射邊界，運用流固耦合算法耦合空氣炸藥艙壁，在耦合界面上采用罰函數法傳遞能量；以上條件保證了除焊縫處不同外其他影響因素一致。仿真結果局部放大圖如圖3所示。

圖3 3種方法角隅處焊縫破壞效果Fig.3 Damage effect of deck hatchcorners weld by 3 ways

從圖3中可以看出，3種方法表示下的焊縫均不同程度地破損，且破損位置、尺寸基本一致，角隅處的破損與艙內爆炸描述相符，說明了3種等效模擬焊縫的方法是可行的。其中材料賦值法預留的焊縫位于各個艙壁上，隨艙壁的厚度不同出現破損的效果不同，在圖3中，可以看出較薄的隔艙壁出現了破損而側舷與甲板尚未破損；在等效接觸法中接觸面的大小也直接影響了破損情況，這是由于在接觸判定過程中面積參與計算的原因；在等效約束法中，焊點個數設置直接影響破損效果，個數較多時焊接強度大。

2.3 對比分析

材料賦值法需要預留焊縫位置，建模時艙室建為一體，網格劃分采用映射網格，要求對應份數相同，其復雜程度遠遠大于后兩者；等效接觸法采用分開建模，僅在接觸面設定接觸即可，不要求網格一致，而等效約束法要求網格必須不一致。從建模與網格劃分角度分析可知等效接觸法較為便捷。

從計算耗時性講，材料賦值法焊縫破損的原因是焊接材料由于達到失效強度而被刪除，耗時大于后兩者；接觸的判別每運算一步都要判斷是否到達失效準則，是否有穿透現象，耗時大于等效約束法。因此，等效約束法計算耗時少，CPU占有量較前兩者也較少。

從計算準確度分析，材料賦值法在知道焊接材料參數的基礎上真實反映了焊縫處的結構和失效過程；等效接觸法與等效約束法都是將破壞載荷等效為法向載荷和切向載荷，是實際情況的簡化，但不要求知道焊縫材料的具體材料參數；而等效約束法對焊點個數設置要求適當，焊點個數較少時約束強度不夠，較多時不符合實際情況，個數設置不易把握，需要大量的仿真實驗；等效接觸法仿真結果與材料賦值法最為接近，較為真實地反映了焊縫處的破損情況。

綜合分析，3種方法等效模擬焊縫的原理不同，但都可以不同程度地反映艙室內爆炸角隅處焊縫結構的失效效果，若準確掌握焊縫材料參數，要求全面觀察焊縫處破損過程，可采用等效材料法，其單元失效之后刪除過程是逐步完成的，可以詳細觀察艙室角隅最先破損的部分以及破損之后破口延伸過程；若焊縫材料參數掌握不全或完全不知的情況下，則可以選擇等效接觸法與等效約束法，其中等效約束法計算時間較短，但準確度不易把握；在具體仿真過程中應根據實際情況選擇較為便捷且有效反映毀傷效果的方法。

3 結論

艙室內爆炸屬于高度非線性大變形載荷，影響因素復雜，在實際工程案例中，可根據需要選擇合適的等效方法。各個非線性動態有限元仿真軟件雖然操作方法不同，但基本原理相似，本文以LS-DYNA為例，給出3種參考方法并得到如下結論。

1）材料賦值法的實效原理是炸藥破壞載荷達到焊接材料失效強度時，焊接材料單元被自動刪除出現破口；等效接觸法的原理是將爆炸毀傷載荷等效為法向載荷與切向載荷，當滿足實效準則公式時，接觸實效產生破口；等效約束法是通過定義多個點焊約束，當法向載荷與切向載荷到達約束實效準則時，約束實效產生破口。

2）3種等效模擬艙室內爆炸焊縫結構的方法雖然原理不同，但均可以有效模擬艙室內爆炸過程中角隅處的破損情況，且破損結果近似。

3）材料賦值法較為準確地反映焊縫破損的最先出現位置及破損過程，但建模與網格劃分較為復雜；等效接觸法建模過程簡單，網格劃分無特殊要求，網格較粗的可以為主面，較細的為從面；等效約束法建模過程與等效接觸法類似，當網格劃分要求節點不重合。計算時間上等效約束法占用CPU與計算時間最短，但焊點個數設置不易把握，需要大量的仿真實驗。

[1] 侯海量，朱錫，李偉，等.艙室內爆炸載荷特性實驗研究[J].船舶力學，2010，14（8）：901-908. HOU HAILIANG，ZHU XI，LI WEI，et al.Experimental studies on characteristics of blast loading when explodedinside ship cabin[J].Journal of Ship Mechanics，2010，14（8）：901-908.（in Chinese）

[2] 孔祥韶，吳衛國，李俊，等.角隅結構對艙內爆炸載荷影響的實驗研究[J].中國造船，2012，53（3）：40-48. KONG XIANGSHAO，WU WEIGUO，LI JUN，et al.Experimental research of influence of corner structure on blast loading under inner explosion[J].Ship Building of China，2012，53（3）：40-48.（in Chinese）

[3] 王建民，朱錫，劉潤泉.爆炸焊接界面波形參數的影響因素[J].北京科技大學學報，2008，30（6）：636-639. WANG JIANMIN，ZHU XI，LIU RUNQUAN.Influencing factors of wave parameters for the explosive welded bonding interface[J].Journal of University of Science and Technology Beijing，2008，30（6）：636-639.（in Chinese）

[4] STOFFEL M，SCHMIDT R，WEICHERT D.Shock wave loaded plates[J].International Journal of Solids and Structures，2011，38：7659-7680．

[5] 侯海量，朱錫，梅志遠.艙內爆炸載荷及艙室板架結構的失效模式分析[J].爆炸與沖擊，2007，27（2）：151-158. HOU HAILIANG，ZHU XI，MEI ZHIYUAN.Study on the blast load and failure mode of ship structure subject to internal explosion[J].Explosion and Shock Waves，2007，27（2）：151-158.（in Chinese）

[6] 魏繼峰，戴文喜，徐豫新，等.反艦導彈對艦船侵徹及內爆炸毀傷研究[J].振動與沖擊，2012，31（20）：162-165. WEI JIFENG，DAI WENXI，XU YUXIN，et al.Anti-warship missile penetrating to a warship and ship's inner-explosion damage[J].Journal of Vibration and Shock，2012，31（20）：162-165.（in Chinese）

[7] 朱建方，王偉力，曾亮.艦艇艙室內爆毀傷的建模與仿真分析[J].系統仿真學報，2009，21（22）：7066-7072. ZHU JIANFANG，WAGN WEILI，ZENG LIANG.Modeling and simulation of damage effect of ship cabin subject to internal explosion[J].Journal of System Simulation，2009，21（22）：7066-7072.（in Chinese）

[8] 朱建方，王偉力.反艦導彈戰斗部的侵爆毀傷效應研究[J].兵工學報，2010，31（S1）：190-194. ZHU JIANFANG，WANG WEILI.Research on penetration and explosion damage effects of anti-ship missile warhead[J].Acta Armamentarii，2010，31（S1）：190-194.（in Chinese）

[9] 呂進，王樹有，王偉力，等.多種材料雙層EFP數值仿真對比研究[J].海軍航空工程學院學報，2013，28（6）：669-673. LV JIN，WANG SHUYOU，WANG WEILI，et al.Com ination research on double EFP of manifold material simulation[J].Journal of Naval Aeronautical and Astronautical University，2013，28（6）：669-673.（in Chinese）

[10] 王禮立.應力波基礎[M].2版.北京：國防工業出版社，2005：112-114. WANG LILI.Foundation of stress waves[M].2nd ed.Beijing：National Defense Industry Press，2005：112-114.（in Chinese）

[11] 劉燕紅，朱錫.艦用907A鋼結構高頻疲勞裂紋擴展實驗研究[J].船海工程，2006（6）：3-7. LIU YANHONG，ZHU XI.Experimental research on fatigue crack grow th rate of 907Asteel[J].Engineer of Ship，2006（6）：3-7.（in Chinese）

[12] LSTC.LS-DYNA keyword user's manual[K].Version 971.California：Livermore Software Technology Corporation，2007：292-293.

Simulation Method of Ship Cabin Weld Based on LS-DYNA

HUANG Xue-fenga,FAN Zhuang-qinga,WANG Wei-lib,FU Leia,JIANG Ying-zia
（Naval Aeronautical and Astronautical University a.Graduate Students'Brigade; b.Department of Ordnance Science and Technology,Yantai Shandong 264001,China）

Three kinds of equivalent simulation method of weld was discussed such as material assignment method,equivalent contact method,equivalent constraint method.And then the three methods were comparative analyzed on the simplicity of modeling,the calculation of time,the accuracy of the results.The material assignment method reflect accurately the cabin weld appears first bread position and the break elongation process.By using the equivalent contact method,modeling and meshing process was simple,calculation time is proper,and calculation result is accurate.The calculation process was short,but the equivalent constraint method required non-coincide nodes,and handling the number of spot inside weld was difficult.

warship cabin;internal explosion;weld;numerical simulation

TJ410.3

A

1673-1522（2014）04-0365-04

10.7682/j.issn.1673-1522.2014.04.014

2014-02-28；

2014-04-23

黃雪峰（1983-），男，博士生。