靜水壓力對環(huán)肋圓柱殼碰撞特性的影響分析

劉 令 吳 梵 梅志遠(yuǎn)

(海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院 武漢 430033)

靜水壓力對環(huán)肋圓柱殼碰撞特性的影響分析

劉 令 吳 梵 梅志遠(yuǎn)

(海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院 武漢 430033)

環(huán)肋圓柱殼是潛艇等水下結(jié)構(gòu)物的主要組成部分，靜水壓力下的徑向撞擊是其面臨的最為惡劣的載荷環(huán)境之一.采用MSC.DYTRAN非線性有限元軟件，對較小靜壓下環(huán)肋圓柱殼的碰撞過程進(jìn)行了數(shù)值仿真,分析了殼體的變形及吸能特性，比較了不同靜壓，不同撞擊載荷下，靜壓做功值及其在總變形能中所占的比例.結(jié)果表明,較小靜壓環(huán)境下，隨著靜壓的變化，靜壓做功值呈非線性變化，但其所占總變形能的比例卻基本為線性變化，且后者與撞擊體的初始動能無明顯關(guān)系.

環(huán)肋圓柱殼；徑向撞擊；數(shù)值仿真；吸能

0 引 言

環(huán)肋圓柱殼是潛艇耐壓殼體、水下運(yùn)載器、海底管路等的主要結(jié)構(gòu)形式，其工作環(huán)境位于水下，主要承受靜水壓力作用.在其工作期間，有可能與外物發(fā)生撞擊，如故障彈回落砸擊潛艇，潛艇觸礁、擱淺、與水面艦舶碰撞等.由于潛艇本身儲備浮力較小，且碰撞過程中有靜水壓力作用，所以一旦發(fā)生碰撞，后果比水面船舶碰撞嚴(yán)重得多，甚至導(dǎo)致災(zāi)難性的后果.2005年1月美國海軍一潛艇發(fā)生觸礁事故，20多名艇員受傷，1人死亡.然而，潛艇等水下結(jié)構(gòu)物因?yàn)樽陨斫Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作隱蔽性等特殊要求，碰撞事故很少被公開，碰撞問題沒有引起學(xué)者們的廣泛關(guān)注.近年來，有學(xué)者對潛艇典型結(jié)構(gòu)在撞擊載荷作用下動態(tài)響應(yīng)做了試驗(yàn)研究[1]，但是其并沒有考慮靜水壓力的作用；由于試驗(yàn)條件、經(jīng)費(fèi)的限制，更多的學(xué)者專家采用有限元軟件對潛艇[2-5]及水下運(yùn)載器[6-7]的碰撞問題展開了數(shù)值仿真，初步探討了水下碰撞的主要特征、基本現(xiàn)象和規(guī)律，指出了撞擊過程將伴隨靜水壓力做功，但是沒有將靜壓作為變量進(jìn)行細(xì)致的討論，對靜壓做功的規(guī)律，及其在結(jié)構(gòu)總變形中所占的比例大小也沒有做深入的研究.本文選取潛艇耐壓殼的典型結(jié)構(gòu)形式——環(huán)肋圓柱殼作為研究對象，采用MSC.DYTRAN大型非線性有限元軟件，對其在100 m水深范圍內(nèi)，受撞變形直至最終穩(wěn)定的過程進(jìn)行了數(shù)值仿真.為了便于以后進(jìn)行系統(tǒng)的、細(xì)致的研究，首先將靜壓進(jìn)行了分級，指出了本文研究的環(huán)境為較小靜壓；然后簡單地分析了流固耦合的影響，發(fā)現(xiàn)撞擊力和吸能的規(guī)律差別不大，為節(jié)約計(jì)算成本可不考慮流固耦合；接著詳細(xì)分析了不同靜水壓力對殼體吸能特性的影響，比較了在不同速度、質(zhì)量的撞擊體撞擊下靜壓做功的大小及其在總變形能中所占的比例，較為深入地研究了靜水壓力對環(huán)肋圓柱殼碰撞特性的影響.

1 靜壓的初步分級

在不同的靜水壓力環(huán)境下，環(huán)肋圓柱殼受撞后的損傷變形程度不同，靜壓在殼體變形中所占的地位也不同.初步研究結(jié)果表明：當(dāng)靜水壓力較小時(shí)，撞擊體與殼體碰撞之后回彈，殼體的變形較小，此時(shí)撞擊載荷占主要地位，靜水壓力對殼體的變形只起輔助作用；當(dāng)靜水壓力較大時(shí)，撞擊載荷只在初始階段起作用，殼體在靜水壓力的作用下繼續(xù)發(fā)生大變形直至壓潰，靜水壓力對殼體的變形起著主要作用.當(dāng)靜壓繼續(xù)增大時(shí)，結(jié)構(gòu)在單純的靜壓作用下就遭到破壞.為了便于以后開展細(xì)致的研究，本文根據(jù)撞擊持續(xù)的時(shí)間和殼體吸能的時(shí)間初步將靜水壓力劃分為幾個等級，并結(jié)合本文的具體結(jié)構(gòu)和撞擊能，通過仿真試算給出了大致的靜壓值.需說明的是，這里只是初步提出了靜壓分級的概念以便研究，靜壓分級與結(jié)構(gòu)及撞擊能的關(guān)系還有待進(jìn)一步研究.

靜壓初步分級如下.

1) 較小靜壓 撞擊時(shí)間與殼體吸能時(shí)間一致，撞擊結(jié)束時(shí)殼體吸能即停止，其撞擊力與吸能曲線如圖1a)，大致范圍為0～2 MPa.

2) 較大靜壓 殼體吸能時(shí)間大于撞擊時(shí)間，撞擊結(jié)束時(shí)殼體在靜壓作用下繼續(xù)吸能，其撞擊力與吸能曲線如圖1b)，范圍為2～8 MPa.

3) 超大靜壓 無需撞擊，殼體在靜壓作用下就已破壞，其范圍為8 MPa以上.

2 流固耦合的影響

水下撞擊除了要考慮靜水壓力作用，還得考慮水介質(zhì)對撞擊效果的影響.為了研究流固耦合對撞擊結(jié)果的影響程度，本文分別建立了基本模型和流固耦合模型.基本模型不考慮流固耦合的影響，由耐壓殼和肋骨組成，肋骨采用扁鋼簡化，撞擊體采用剛性球面.考慮對稱性，只建立半個圓柱殼模型，對其軸向兩端及對稱面采用簡支固定，對撞擊體和殼體之間定義主從面接觸，靜壓為0.5 MPa，均勻加在耐壓殼上.結(jié)構(gòu)具體尺寸和材料參數(shù)見表1～2.流固耦合模型在基本模型的基礎(chǔ)上，加上歐拉單元對水介質(zhì)進(jìn)行模擬，歐拉域的范圍將整個結(jié)構(gòu)包含其中，并通過在半圓柱殼的三面建立虛擬單元，形成了殼單元加虛擬單元的封閉耦合面.由于下一步打算進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，仿真采用1∶10縮比模型，根據(jù)相似定律，小比例模型和原型各物理量的比例關(guān)系為：長度1∶10，時(shí)間1∶10，質(zhì)量1∶1 000，撞擊力1∶100，能量1∶1 000.2種模型見圖2.

表1 模型參數(shù)

表2 主要材料參數(shù)

圖2 有限元模型

計(jì)算得到的2種模型的撞擊力時(shí)歷曲線和殼板的變形能時(shí)歷曲線見圖3.

圖3 2種模型結(jié)果比較

由圖3a)可見,撞擊力曲線呈現(xiàn)明顯的非線性特征，中間存在一個較長時(shí)間的平臺期；流固耦合模型的撞擊力曲線明顯比基本模型的撞擊力曲線光滑，這是因?yàn)橛捎谒橘|(zhì)的存在，減輕了結(jié)構(gòu)的振蕩，使撞擊更加平穩(wěn)；流固耦合模型的撞擊力最大值比基本模型稍小，這可能是因?yàn)樗橘|(zhì)使撞擊得到了一定的緩沖；總的說來，2種模型的撞擊力曲線差別不大，撞擊力持續(xù)的時(shí)間，以及撞擊力曲線的形狀基本相同.

由圖3b)可見：殼板的變形能曲線亦呈現(xiàn)較強(qiáng)的非線性特征，在撞擊結(jié)束時(shí)，殼板的變形能產(chǎn)生小幅的振動直至穩(wěn)定；基本模型的變形曲線有明顯的振蕩現(xiàn)象，這是由于靜壓的作用引起的，考慮流固耦合以后，由于水介質(zhì)的阻尼作用，這種現(xiàn)象明顯減弱；此外，流固耦合模型的最終變形能稍大于基本模型的最終變形能，這說明考慮流固耦合結(jié)構(gòu)的吸能效果更好.

總的說來，兩種模型的撞擊力時(shí)歷和變形能時(shí)歷曲線存在一定的差別，考慮流固耦合更有利于結(jié)構(gòu)的耐撞性.但是鑒于這種差別并不明顯，且流固耦合模型計(jì)算所用的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基本模型，所以本文后面的分析可忽略流固耦合的影響.

3 靜壓對殼體吸能的影響

3.1 計(jì)算模型

本節(jié)采用的模型結(jié)構(gòu)尺寸，以及材料參數(shù)與上一節(jié)相同，不同的只是靜壓的大小和撞擊體的工況.為了探索較小靜壓對結(jié)構(gòu)碰撞吸能的影響規(guī)律，將靜壓從0 MPa到1 MPa按0.1 MPa 的增量進(jìn)行了細(xì)分，同時(shí)，為了研究不同的撞擊能下這種規(guī)律的變化情況，對撞擊體設(shè)定了不同的質(zhì)量和速度，并分別將每種組合作為一個工況，見表3.對每種工況放到不同的靜壓環(huán)境下進(jìn)行計(jì)算，分析其變形及碰撞后的能量分布狀況.其中：工況2和工況4、工況3和工況5的初始撞擊能是相同的.

表3 撞擊工況設(shè)置

3.2 計(jì)算結(jié)果及其分析

3.2.1 結(jié)構(gòu)損傷變形

在較小靜壓環(huán)境下，撞擊體與環(huán)肋圓柱殼發(fā)生碰撞后回彈，殼體在撞擊與靜壓的共同作用下發(fā)生凹陷變形，離撞擊點(diǎn)較近的肋骨也隨著殼體發(fā)生比較明顯的彎曲變形，并由于自身擠壓形成褶皺.隨著靜壓的增大，殼體凹陷量和凹陷范圍也相應(yīng)增大.采用MSC.PATRAN作為后處理器，對DYTRAN的仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，得到工況1，0.5 Mpa殼體撞擊后變形模式見圖4.

圖4 殼體變形模式

撞深可以反應(yīng)環(huán)肋圓柱殼損傷變形的程度，不同靜壓下，工況1殼體的撞深隨時(shí)間的變化規(guī)律見圖5，不同工況下殼體的最終撞深與靜壓的關(guān)系見圖6.

圖5 撞深時(shí)歷曲線

圖6 撞深-靜壓曲線

由圖5可見，前0.33 ms時(shí)，殼體的撞深為0，這是因?yàn)樽矒趔w與殼體之間存在一定的距離，還沒有接觸到殼體；撞擊體接觸殼體的前2 ms左右，撞深隨著時(shí)間的變化基本呈現(xiàn)線性增加，隨后表現(xiàn)出較強(qiáng)的非線性；當(dāng)撞深達(dá)到最大時(shí)撞擊體回彈，殼體產(chǎn)生小幅度的彈性振動直至最后穩(wěn)定.

觀察圖6可以看出，同一工況下，隨著靜壓的增大，撞深相應(yīng)地增加.不同工況下的撞深隨靜壓變化的趨勢基本相同；撞擊體的初動能參數(shù)對撞深影響較大，靜壓一定時(shí)，隨著撞擊體質(zhì)量、速度的增大，撞深亦增加；工況2與工況4、工況3與工況5下的兩條曲線基本重合，表明當(dāng)撞擊體的初動能一定時(shí)，盡管質(zhì)量、速度不同，撞深也一樣相同.進(jìn)而可以得出結(jié)論：在較小靜壓環(huán)境下，真正影響殼體撞深的只有撞擊體的初始動能和靜水壓力.

3.2.2 結(jié)構(gòu)的吸能分析

受撞過程遵守能量守恒定律，撞擊體損失的動能與靜壓所做的功主要轉(zhuǎn)化為以下幾種能量：(1)結(jié)構(gòu)的變形能；(2)結(jié)構(gòu)的動能；(3)由于沙漏引起的沙漏能.各能量隨時(shí)間的變化歷程見圖7(0.5 MPa，工況1).可以看出，殼板變形能比肋骨變形能大，約是肋骨的3倍左右，因此殼板是主要的吸能構(gòu)件；與結(jié)構(gòu)的變形能相比，結(jié)構(gòu)動能和沙漏能所占的比值非常小，基本可以忽略，因此可以認(rèn)為，撞擊過程中：

撞擊體損失的動能+靜水壓力所做的功=結(jié)構(gòu)的總變形能

根據(jù)撞擊體速度的損失可以算出撞擊體動能的損失，根據(jù)撞擊體損失的動能和結(jié)構(gòu)的總變形能可以算出靜水壓力所做的功，進(jìn)一步可得出靜壓做功在結(jié)構(gòu)總變形能中所占的比例.

撞擊結(jié)束后，隨著水壓的不同，工況1各能量分布情況及靜壓做功比例見表4.

將表4中部分項(xiàng)的變化規(guī)律以曲線形式表示見圖8，不同工況下水壓做功以及水壓做功所占比例與靜壓的關(guān)系見圖9～10.

圖7 能量時(shí)歷曲線(0.5 MPa，工況1)

圖8 工況1撞后能量分布

圖9 靜壓做功-靜壓曲線

圖10 靜壓做功比例-靜壓曲線

由圖8可知，不同靜壓下，撞擊體最終損失的動能相差不大，雖然撞擊體有剩余動能，但是很小，所以其損失的動能基本等于初始動能；殼板和肋骨的變形能均隨著靜壓增加而增大，且殼板吸收的能量比肋骨多，吸能的速率也比肋骨快；靜壓做功亦隨著靜壓的增大而呈現(xiàn)非線性增加.從圖9可知，當(dāng)撞擊體的動能不同時(shí)，靜壓做功的大小亦不同，其一般規(guī)律是，靜壓做功隨著撞擊體的動能增大而增大；工況2與工況4、工況3與工況5下的靜壓做功曲線基本重合，這說明只要撞擊體的動能保持相同，盡管速度和質(zhì)量的分配不同，靜壓做功的大小仍然相同.從圖10可知，靜壓做功的比例隨著靜壓的增加基本呈現(xiàn)線性增加；各個工況下靜壓做功的比例相差不大，這表明在較小靜壓環(huán)境下，靜壓做功的比例與撞擊體的初動能關(guān)系不大.圖9～10中，工況3和工況5缺少0.9 MPa和1 MPa的數(shù)據(jù)，其原因是在這4個算例中，殼體的變形吸能與撞擊不同步，即撞擊結(jié)束后殼體由于靜壓的作用還在變形并吸能，這是因?yàn)樽矒裟苓^大造成的，不在本文研究的范圍之內(nèi).

4 結(jié) 論

1) 不同靜水壓力對環(huán)肋圓柱殼受撞損傷程度的影響不同，靜壓較小時(shí)，殼體損傷小，撞擊體與殼體碰撞之后回彈，撞擊載荷占主要地位；靜壓較大時(shí)，撞擊載荷只在初始階段起作用，靜水壓力對殼體的變形起著主要作用.

2) 考慮流固耦合算得的結(jié)構(gòu)的撞擊力偏小，而結(jié)構(gòu)的變形能偏大，說明考慮流固耦合有利于結(jié)構(gòu)的耐撞性；此外，考慮流固耦合使結(jié)構(gòu)在靜壓〗下的振蕩效應(yīng)明顯減小.

3) 較小靜壓環(huán)境下，靜壓做功的值隨著靜壓的增大而呈現(xiàn)非線性增加，且隨著撞擊體速度質(zhì)量的增加而增大，但當(dāng)撞擊體的動能一定時(shí)，不管

速度質(zhì)量如何分配，靜壓做功保持不變.

4) 較小靜壓環(huán)境下，靜壓做功的比例隨著靜壓的增大呈現(xiàn)線性增加，且撞擊體質(zhì)量速度變化時(shí)，其增加的速率基本不變，這表明靜壓做功的比例基本不受撞擊體初動能的影響，只與靜壓大小有關(guān).

[1]朱新陽,梅志遠(yuǎn),吳 梵.潛艇典型結(jié)構(gòu)在撞擊載荷作用下動態(tài)響應(yīng)的試驗(yàn)研究[J].船海工程,2009,38(4):87-91.

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Analysis on Collision Properties of Ring-stiffened Cylinder Under Hydrostatic Pressure

LIU Ling WU Fan MEI Zhiyuan

(ShipandPowerEngineeringCollege,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China)

Ring-stiffened cylindrical shell is the main component of underwater structure like submarine, and radial collision underwater is one of the most dangerous environment it faces. MSC.DYTRAN software was used to simulate the collision process of ring-stiffened cylinder subjected to lower hydrostatic pressure .The structure’s deformation and energy absorption , as well as the work did by hydrostatic pressure was researched under different hydrostatic pressure and different impact intensity. The results show: As hydrostatic pressure changes, the work it does vary in a non-linear way, while its proportion in total distortional energy seems to vary linearly and has no obvious relationship with the initial kinetic energy of striker.

ring-stiffened cylinder; radial collision; numerical simulation; energy absorption

2015-02-18

U661.4

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.03.036

劉 令(1986- )：男，博士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榇貌牧霞皯?yīng)用