小水線面雙體船抗沖擊特性數(shù)值研究

高 峰 況 貺

（1.海軍裝備部 北京100841；2.海軍駐上海滬東中華造船(集團)有限公司軍代表室 上海 200129）

引 言

小水線面雙體船（SWATH船）是一型高科技、高附加值、高性能船舶。其與單體船、常規(guī)雙體船截然不同，具有以下性能特點：

（1）最大優(yōu)點是耐波性好。一艘設計合理的SWATH船，其耐波性與3～10倍的排水量常規(guī)單體船相當。

（2）甲板面寬敞，作業(yè)空間大，設備與艙室易于布置。一艘200 噸級SWATH船的甲板面積與500 噸級常規(guī)船大體上相當。

（3）安靜性佳。推進主機可置于上體平臺中，采用多層隔振降噪措施及電力推進方式控制水下潛體自噪聲與輻射噪聲。

（4）操縱靈活，其低速回轉性能好。特有的兩個細長片體保證了良好的航向穩(wěn)定性。

（5）設計研制小水線面雙體船難度較大，要發(fā)揮其優(yōu)良的耐波性能必須在設計中進行綜合優(yōu)化。此外，吃水相對較深，特別是吃水隨載重量變化敏感，因此需考慮壓載與平衡措施，且船體結構占總質量的比例較相同排水量的單體船略高［1］。

基于一系列顯著優(yōu)點，小水線面雙體船型日益受到造船強國的重視，得到了快速發(fā)展，在港監(jiān)引水、海上運輸、游艇觀光、海洋調查等民用領域已有較多應用。同時，各海軍強國對小水線面雙體船在水下監(jiān)測、反水雷戰(zhàn)、海上巡邏等軍事領域也開展了諸多研究和實踐，已有數(shù)型船在美、日、德等國海軍中服役。1986年，美國海軍訂購了4艘“勝利”級水聲監(jiān)測船，采用了小水線面雙體船型，排水量2 677 t；1998年，美國又建成采用該船型的“無暇”號水聲監(jiān)測船，排水量達到5 370 t，是目前排水量最大的軍用小水線面雙體船；1990年，日本仿照美國的“勝利”級，建造了2艘“響”級水聲監(jiān)測船，該船與“勝利”級性能基本相似，排水量2 850 t；德國2005年服役的“行星”號水下武器電子系統(tǒng)試驗船，排水量約3 500 t，主要用于海軍水下武器、水中電子系統(tǒng)的試驗研究和開發(fā)，集中了大型小水線面雙體船技術，減振、降噪安靜環(huán)境控制技術，以及水下武器和電子系統(tǒng)試驗技術，性能十分先進［2-3］。

各海軍強國還在挖掘小水線面雙體船型在軍事領域應用的更大潛力，將來甚至可能開發(fā)相應的作戰(zhàn)艦艇船型，那么此船型的抗沖擊能力就必須考慮。因此本文對小水線面雙體船的抗沖擊特性進行了數(shù)值研究，分析了船體結構的抗沖擊能力及全船沖擊環(huán)境特點，為該船型的軍事應用提供一些技術積累。

1 結構抗沖擊特性數(shù)值研究

本文研究對象為某小水線面雙體船，采用ABAQUS非線性有限元軟件中的聲固耦合方法進行計算分析［4-6］。

1.1 計算模型

建立全船有限元模型及水域有限元模型進行耦合，水域寬度為船寬6倍，如圖1所示。

圖1 耦合有限元模型

水下爆炸計算中材料的動態(tài)應變率特性必須考慮，本船船體材料為某低磁鋼，其應變率影響系數(shù)采用Cowper and Symonds模型描述：

式中：σY是動態(tài)應力值，是應變率。

測得該低磁鋼的屈服極限σs=341 MPa，楊氏模量E=1.81×105MPa ，D=79 000，P=5。

計算工況設置為：爆點位于船中左舷，沖擊因子分別取龍骨沖擊因子C為0.2以及殼板沖擊因子C為0.5、0.6、0.7共4種情況，爆點如圖2、圖3所示。

圖2 龍骨沖擊因子工況爆點定位示意圖

圖3 板殼沖擊因子工況爆點定位示意圖

1.2 結構抗沖擊能力分析

在上述四種爆炸工況下，考核水線下左右舷結構的塑性應變，計算結果見表1、表2和圖4、圖5。可見，隨著沖擊因子變大，各考核部位結構的塑性應變相應變大。

表1 外板塑性應變值

表2 強力構件塑性應變值

圖4 各考核部位外板塑性應變對比

圖5 各考核部位強力構件塑性應變對比

小水線面雙體船與常規(guī)單體船相比，在船型上有很大差別。水線下包含左右舷兩個潛體及部分支柱體結構，水下爆炸載荷會作用其上，且左右舷兩個潛體及支柱體均有各自的迎爆面和背爆面。由于爆點在左舷，因此左舷結構的塑性應變值大于右舷結構，但右舷結構的塑性應變并非小值，無論左右舷結構迎爆面的塑性應變均大于背爆面。因此，在評估小水線面雙體船的抗沖擊能力時，與單體船類似，可以選取近爆點一側結構的迎爆面為重點研究對象。

由圖4可見，從不同部位的塑性應變來看，支柱體外板的塑性應變明顯大于潛體外板，原因是支柱體比較扁瘦，尤其首尾端更為尖瘦，考慮到施工問題在首尾端支柱體外板上的加強結構有限，因此該區(qū)域外板的塑性應變較大。由圖4、圖5可見，強力構件的塑性應變明顯大于外板的塑性應變，說明爆炸載荷主要由強力構件承擔。因為距爆點最近，左舷潛體舷側迎爆面和底部的塑性應變最大、吸收的能量最多，這與單體船相似。

由圖5可見，潛體強力構件的塑性應變大于支柱體強力構件。發(fā)生塑性應變的具體部位集中在潛體舭部、潛體支柱體相交處等結構形狀突變處，見圖6。小水線面雙體船常規(guī)設計時，結構形狀突變處的節(jié)點設計特別重要，若要考慮抗沖擊問題，那么這些節(jié)點設計更需要加強和優(yōu)化。

圖6 潛體、支柱體內部強力構件塑性應變云圖

2 沖擊環(huán)境特性數(shù)值研究

小水線面雙體船水線以上的主船體甲板寬大，水線以下的潛體和支柱體空間較小，除推進電機、軸系及相應的泵等設備布置在潛體中，其余設備均布置于水線以上的各層甲板上，這與常規(guī)單體船有較大差別。因此分析小水線面雙體船的沖擊環(huán)境特性，對船上設備布置及人員戰(zhàn)位等具有重要意義。

2.1 計算模型

采用ABAQUS非線性有限元軟件中的聲固耦合方法進行計算分析，將船體模型與流場耦合后進行計算，對水下非接觸爆炸作用下小水線面雙體船的沖擊環(huán)境進行數(shù)值預報。計算模型同1.1節(jié)，同樣也考慮材料的動態(tài)應變率。

設備與船體間的連接由彈簧模擬，各設備的安裝頻率簡化為：剛性安裝采用50 Hz的安裝頻率，彈性安裝采用10 Hz的安裝頻率。彈簧的剛度可依據(jù)下列公式計算得出，其中m為設備質量，f為安裝頻率，k為彈簧剛度。

計算工況設置為：爆點位于船中左舷，龍骨沖擊因子C= 0.2。

2.2 沖擊環(huán)境特性分析

水面艦船沖擊環(huán)境中一般垂向沖擊環(huán)境明顯高于其他兩個方向，因此在以下的沖擊環(huán)境分析中，取垂向譜值進行分析。小水線面雙體船擁有兩套動力系統(tǒng)，一般左右兩舷對稱布置，兩套動力系統(tǒng)設備的沖擊環(huán)境見表3。由于爆點位于左舷，所以左舷設備譜值均大于右舷設備譜值。近爆點一側的沖擊環(huán)境更為惡劣，因此在設計前期設備的抗沖擊設計譜值取近爆點一側的計算數(shù)據(jù)。但另一側的沖擊環(huán)境也并不弱，所以在設計后期需對全船沖擊環(huán)境進行分析校核。

表3 左右舷動力系統(tǒng)設備譜值對照表（垂向）

為分析全船的沖擊環(huán)境，本文研究了沖擊環(huán)境沿船長、船寬、型深的變化規(guī)律。

船長方向上，船長計為L，在主甲板沿船長方向以船首為原點取10個測點，距船首0.29L處為初始測點位置，距船首0.98L處為截止測點位置。數(shù)值分析結果如圖7所示，船長方向上譜位移、譜速度、譜加速度在船首處最大，在船中位置處譜值較小，往船尾方向再增大。

圖7 譜值沿船長方向變化示意圖

船寬方向上，船寬計為B，在船寬方向以左舷邊為原點取11個測點，所有測點位于主甲板且同一橫剖面上。數(shù)值分析結果如圖8所示，沿船寬方向左舷譜值較右舷譜值大，這是由于爆點位于左舷。在距左舷側0.1B～0.2B、0.8B～0.9B距離處譜值較大，這是由于此兩處為主船體與支柱體連接部位，水線下結構受到的沖擊載荷經(jīng)此由支柱體傳遞至水線上主船體，因此船寬方向上此兩處的沖擊環(huán)境最大。

圖8 譜值沿船寬方向變化示意圖

型深方向上，型深計為H，在型深方向取13個測點，所取測點位于同一橫剖面上，從距潛體底部基線0.16H處為初始測點位置，距潛體底部基線0.43H處為截止測點位置。數(shù)值分析結果如圖9所示，距潛體底部0.2H～0.22H處的譜位移、譜速度、譜加速度均較大，該位置是潛體結構與支柱體連接部分的結構突變區(qū)；距潛體底部0.4H～0.43H處譜值也很大，該位置是支柱體與主船體舷臺連接區(qū)域，也是結構突變區(qū)。這說明水下爆炸載荷由下往上在船體結構中傳遞時，在結構突變區(qū)會引起較大的譜值。

圖9 譜值沿型深方向變化示意圖

3 結 論

在各類高性能船舶中，小水線面雙體船是建造使用數(shù)量較多的一型。本文分析其船型特點及其在軍事領域的實際應用。然后采用ABAQUS軟件數(shù)值計算水下非接觸爆炸作用下某小水線面雙體船的結構變形和沖擊環(huán)境，分析此船型結構抗沖擊特性和全船沖擊環(huán)境特點，獲得以下主要結論：

（1）小水線面雙體船具有耐波性好、甲板作業(yè)面積大、安靜性佳、操縱性好等優(yōu)點，在水聲監(jiān)測、綜合試驗、海岸巡邏等軍事領域已有應用，并具備向作戰(zhàn)艦艇發(fā)展的潛力。

（2）對小水線面雙體船結構進行抗沖擊計算時，可以與單體船類似，以近爆點一側結構的迎爆面為重點研究對象，但相距爆點較遠一舷結構的變形并非小值。

（3）小水線面雙體船的外形復雜具有許多突變處，如潛體舭部、潛體與支柱體相交處、支柱體首尾部等。常規(guī)設計時，這些結構形狀突變處的節(jié)點設計已非常重要，若考慮到抗沖擊情況下時，這些節(jié)點設計更需進一步加強和優(yōu)化。

（4）小水線面雙體船首尾處、支柱體與主船體舷臺連接處以及支柱體與潛體連接處的沖擊環(huán)境較大，在這些結構突變處附近安裝設備需要特別考慮或者避免在這些部位安裝設備。

（5）水線以上主船體范圍內，與支柱體連接區(qū)域的沖擊環(huán)境相對較大。這里是沖擊能量由水中潛體、支柱體向主船體傳遞的通道，設計時應當注重該區(qū)域設備的抗沖擊設計。

［1］ 林偉國，朱云翔，范井峰.小水線面雙體船的發(fā)展及在海軍艦船領域中的應用前景［J］.船舶，2007（3）：1-5.

［2］ 史文強，于憲釗.國外小水線面雙體船發(fā)展狀況及趨勢［J］.艦船科學技術，2012（S2）：4-19.

［3］ 鐘凱，張培元，鄭明.德國小水線面雙體船的軍民應用和飛躍發(fā)展［J］.艦船科學技術，2012（S2）.

［4］ 岳永威，王超.軍用雙體船抗沖擊特性數(shù)值研究［J］.中國艦船研究，2012（1）：29-34.

［5］ GEERS T L，HUNTER K S．An integrated wave-effects model for an underwater explosion bubble［J］．Journal of the Acoustical Society of America，2002 （ 4 ）：1584-1601．

［6］ 張振華，朱錫，馮剛．船舶在遠場水下爆炸載荷作用下動態(tài)響應的數(shù)值計算方法［J］.中國造船，2003（4）：36-42.