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(tuán))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(diǎn)：

（1）最大優(yōu)點(diǎn)是耐波性好。一艘設(shè)計(jì)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(dāng)。

（2）甲板面寬敞，作業(yè)空間大，設(shè)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(dāng)。

（3）安靜性佳。推進(jìn)主機(jī)可置于上體平臺(tái)中，采用多層隔振降噪措施及電力推進(jìn)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(zhuǎn)性能好。特有的兩個(gè)細(xì)長片體保證了良好的航向穩(wěn)定性。

（5）設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中進(jìn)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(jié)構(gòu)占總質(zhì)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(diǎn)，小水線面雙體船型日益受到造船強(qiáng)國的重視，得到了快速發(fā)展，在港監(jiān)引水、海上運(yùn)輸、游艇觀光、海洋調(diào)查等民用領(lǐng)域已有較多應(yīng)用。同時(shí)，各海軍強(qiáng)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(lǐng)域也開展了諸多研究和實(shí)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(dá)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(yàn)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(yàn)研究和開發(fā)，集中了大型小水線面雙體船技術(shù)，減振、降噪安靜環(huán)境控制技術(shù)，以及水下武器和電子系統(tǒng)試驗(yàn)技術(shù)，性能十分先進(jìn)［2-3］。

各海軍強(qiáng)國還在挖掘小水線面雙體船型在軍事領(lǐng)域應(yīng)用的更大潛力，將來甚至可能開發(fā)相應(yīng)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(jìn)行了數(shù)值研究，分析了船體結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力及全船沖擊環(huán)境特點(diǎn)，為該船型的軍事應(yīng)用提供一些技術(shù)積累。

1 結(jié)構(gòu)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(jìn)行計(jì)算分析［4-6］。

1.1 計(jì)算模型

建立全船有限元模型及水域有限元模型進(jìn)行耦合，水域?qū)挾葹榇瑢?倍，如圖1所示。

圖1 耦合有限元模型

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

式中：σY是動(dòng)態(tài)應(yīng)力值，是應(yīng)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(jì)算工況設(shè)置為：爆點(diǎn)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(diǎn)如圖2、圖3所示。

圖2 龍骨沖擊因子工況爆點(diǎn)定位示意圖

圖3 板殼沖擊因子工況爆點(diǎn)定位示意圖

1.2 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變，計(jì)算結(jié)果見表1、表2和圖4、圖5?？梢姡S著沖擊因子變大，各考核部位結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變相應(yīng)變大。

表1 外板塑性應(yīng)變值

表2 強(qiáng)力構(gòu)件塑性應(yīng)變值

圖4 各考核部位外板塑性應(yīng)變對比

圖5 各考核部位強(qiáng)力構(gòu)件塑性應(yīng)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(gè)潛體及部分支柱體結(jié)構(gòu)，水下爆炸載荷會(huì)作用其上，且左右舷兩個(gè)潛體及支柱體均有各自的迎爆面和背爆面。由于爆點(diǎn)在左舷，因此左舷結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變值大于右舷結(jié)構(gòu)，但右舷結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變并非小值，無論左右舷結(jié)構(gòu)迎爆面的塑性應(yīng)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(shí)，與單體船類似，可以選取近爆點(diǎn)一側(cè)結(jié)構(gòu)的迎爆面為重點(diǎn)研究對象。

由圖4可見，從不同部位的塑性應(yīng)變來看，支柱體外板的塑性應(yīng)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(qiáng)結(jié)構(gòu)有限，因此該區(qū)域外板的塑性應(yīng)變較大。由圖4、圖5可見，強(qiáng)力構(gòu)件的塑性應(yīng)變明顯大于外板的塑性應(yīng)變，說明爆炸載荷主要由強(qiáng)力構(gòu)件承擔(dān)。因?yàn)榫啾c(diǎn)最近，左舷潛體舷側(cè)迎爆面和底部的塑性應(yīng)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(qiáng)力構(gòu)件的塑性應(yīng)變大于支柱體強(qiáng)力構(gòu)件。發(fā)生塑性應(yīng)變的具體部位集中在潛體舭部、潛體支柱體相交處等結(jié)構(gòu)形狀突變處，見圖6。小水線面雙體船常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)形狀突變處的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)特別重要，若要考慮抗沖擊問題，那么這些節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)更需要加強(qiáng)和優(yōu)化。

圖6 潛體、支柱體內(nèi)部強(qiáng)力構(gòu)件塑性應(yīng)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(jìn)電機(jī)、軸系及相應(yīng)的泵等設(shè)備布置在潛體中，其余設(shè)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(shè)備布置及人員戰(zhàn)位等具有重要意義。

2.1 計(jì)算模型

采用ABAQUS非線性有限元軟件中的聲固耦合方法進(jìn)行計(jì)算分析，將船體模型與流場耦合后進(jìn)行計(jì)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(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)。計(jì)算模型同1.1節(jié)，同樣也考慮材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)變率。

設(shè)備與船體間的連接由彈簧模擬，各設(shè)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(jì)算得出，其中m為設(shè)備質(zhì)量，f為安裝頻率，k為彈簧剛度。

計(jì)算工況設(shè)置為：爆點(diǎn)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(gè)方向，因此在以下的沖擊環(huán)境分析中，取垂向譜值進(jìn)行分析。小水線面雙體船擁有兩套動(dòng)力系統(tǒng)，一般左右兩舷對稱布置，兩套動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備的沖擊環(huán)境見表3。由于爆點(diǎn)位于左舷，所以左舷設(shè)備譜值均大于右舷設(shè)備譜值。近爆點(diǎn)一側(cè)的沖擊環(huán)境更為惡劣，因此在設(shè)計(jì)前期設(shè)備的抗沖擊設(shè)計(jì)譜值取近爆點(diǎn)一側(cè)的計(jì)算數(shù)據(jù)。但另一側(cè)的沖擊環(huán)境也并不弱，所以在設(shè)計(jì)后期需對全船沖擊環(huán)境進(jìn)行分析校核。

表3 左右舷動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)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(jì)為L，在主甲板沿船長方向以船首為原點(diǎn)取10個(gè)測點(diǎn)，距船首0.29L處為初始測點(diǎn)位置，距船首0.98L處為截止測點(diǎn)位置。數(shù)值分析結(jié)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(jì)為B，在船寬方向以左舷邊為原點(diǎn)取11個(gè)測點(diǎn)，所有測點(diǎn)位于主甲板且同一橫剖面上。數(shù)值分析結(jié)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(diǎn)位于左舷。在距左舷側(cè)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(jié)構(gòu)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(jì)為H，在型深方向取13個(gè)測點(diǎn)，所取測點(diǎn)位于同一橫剖面上，從距潛體底部基線0.16H處為初始測點(diǎn)位置，距潛體底部基線0.43H處為截止測點(diǎn)位置。數(shù)值分析結(jié)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(jié)構(gòu)與支柱體連接部分的結(jié)構(gòu)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(tái)連接區(qū)域，也是結(jié)構(gòu)突變區(qū)。這說明水下爆炸載荷由下往上在船體結(jié)構(gòu)中傳遞時(shí)，在結(jié)構(gòu)突變區(qū)會(huì)引起較大的譜值。

圖9 譜值沿型深方向變化示意圖

3 結(jié) 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(diǎn)及其在軍事領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。然后采用ABAQUS軟件數(shù)值計(jì)算水下非接觸爆炸作用下某小水線面雙體船的結(jié)構(gòu)變形和沖擊環(huán)境，分析此船型結(jié)構(gòu)抗沖擊特性和全船沖擊環(huán)境特點(diǎn)，獲得以下主要結(jié)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(diǎn)，在水聲監(jiān)測、綜合試驗(yàn)、海岸巡邏等軍事領(lǐng)域已有應(yīng)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(jié)構(gòu)進(jìn)行抗沖擊計(jì)算時(shí)，可以與單體船類似，以近爆點(diǎn)一側(cè)結(jié)構(gòu)的迎爆面為重點(diǎn)研究對象，但相距爆點(diǎn)較遠(yuǎn)一舷結(jié)構(gòu)的變形并非小值。

（3）小水線面雙體船的外形復(fù)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(shè)計(jì)時(shí)，這些結(jié)構(gòu)形狀突變處的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)已非常重要，若考慮到抗沖擊情況下時(shí)，這些節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)更需進(jìn)一步加強(qiáng)和優(yōu)化。

（4）小水線面雙體船首尾處、支柱體與主船體舷臺(tái)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(jié)構(gòu)突變處附近安裝設(shè)備需要特別考慮或者避免在這些部位安裝設(shè)備。

（5）水線以上主船體范圍內(nèi)，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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)注重該區(qū)域設(shè)備的抗沖擊設(shè)計(jì)。

［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(lǐng)域中的應(yīng)用前景［J］.船舶，2007（3）：1-5.

［2］ 史文強(qiáng)，于憲釗.國外小水線面雙體船發(fā)展?fàn)顩r及趨勢［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，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(yīng)用和飛躍發(fā)展［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，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(yuǎn)場水下爆炸載荷作用下動(dòng)態(tài)響應(yīng)的數(shù)值計(jì)算方法［J］.中國造船，2003（4）：36-42.