艦艇結(jié)構(gòu)在水中兵器靜態(tài)爆炸作用下的沖擊響應(yīng)

賈 則，權(quán) 琳，張姝紅，楊緒升，高浩鵬

(中國人民解放軍91439 部隊(duì)，遼寧 大連116041)

0 引 言

船舶承受水下沖擊波是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)過程，不僅屬于大變形，強(qiáng)非線性問題，而且還會(huì)涉及到流－固耦合的問題，所以很難采用復(fù)雜的解析方法來處理。雖然最直接的研究方式是實(shí)船水下爆炸沖擊試驗(yàn)，但實(shí)船試驗(yàn)花費(fèi)非常高昂，而且所得到的數(shù)據(jù)有局限性。因而，數(shù)值模擬逐步發(fā)展成最適合研究艦船抗沖擊的方法。20 世紀(jì)90年代后期，隨著計(jì)算機(jī)領(lǐng)域高速的發(fā)展，數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)技術(shù)使水下爆炸研究產(chǎn)生突飛猛進(jìn)的發(fā)展。國內(nèi)吳有生院士等對(duì)水彈性有較深入的研究。對(duì)于沖擊響應(yīng)(短時(shí)問題)，尤其是爆炸沖擊響應(yīng)，多采用基于平面波假設(shè)的雙漸近法(DAA)來處理結(jié)構(gòu)體與水體的耦合，并應(yīng)用于水面艦艇結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下的動(dòng)響應(yīng)研究的實(shí)際中［1］。隨后相繼開發(fā)了一些大型商業(yè)有限元程序(如ABAQUS、LS－DYNA、DYTRAN 等)，其中不少程序，尤其是ABAQUS 取得了較為廣泛的應(yīng)用。在全船水下爆炸模擬方面，姚熊亮等運(yùn)用ABAQUS 軟件針對(duì)幾種艦艇的模型進(jìn)行了計(jì)算和分析，計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的比對(duì)分析證明數(shù)值分析能滿足實(shí)際工程的需要［2］。有限元分析軟件ABAQUS 代表當(dāng)今比較先進(jìn)的爆炸力學(xué)計(jì)算程序，同時(shí)可以利用有限元程序豐富的前后處理功能，能夠完整地再現(xiàn)水下爆炸沖擊波傳播的過程。本文以水面艦艇為研究對(duì)象，采用通用有限元軟件ABAQUS，建立了艦船以及周圍水域的有限元模型，并采用該有限元模型計(jì)算了400 kg TNT 當(dāng)量裝藥水下爆炸，位于船中正下方5m 處爆炸導(dǎo)致的艦船沖擊響應(yīng)，得到了艦船主甲板、船底以及船殼體等部位結(jié)構(gòu)加速度和速度響應(yīng)時(shí)間歷程曲線，得到的艦船沖擊環(huán)境數(shù)值合理、規(guī)律較為準(zhǔn)確，可以用于艦船上人員和設(shè)備的沖擊防護(hù)設(shè)計(jì)。

1 水中兵器和艦船數(shù)值仿真模型的建立

1.1 水中兵器有限元模型的建立

運(yùn)用商業(yè)建模軟件Pro/E 建立水中兵器的幾何模型，坐標(biāo)原點(diǎn)為與距水中兵器首部0.4 m 處橫剖面與水中兵器縱向中心線交點(diǎn)，Z 軸朝向武器首部。運(yùn)用HYPERMESH 建模軟件來構(gòu)建武器有限元模型，模型的單元類型主要由梁?jiǎn)卧蜌卧獦?gòu)成，圖1 為本文構(gòu)建的水中兵器模型。

圖1 武器的有限元模型Fig.1 FEA model of underwater weapon

1.2 艦船和水域有限元模型的建立

采用HYPERMESH 建模軟件完成艦船模型的構(gòu)建，該艦船結(jié)構(gòu)從上到下分別為羅經(jīng)平臺(tái)、駕駛平臺(tái)、首樓甲板、主甲板、平臺(tái)甲板和底艙。流場(chǎng)水域的類型為聲學(xué)單元，單元總數(shù)約為400 000個(gè)六面體聲學(xué)單元(AC3D8R)。流場(chǎng)水域一共可劃分為3 部分，其中兩端采用1 /4的球體、中間采用半個(gè)圓柱體的形狀，而且球體和圓柱體半徑是艦艇寬度的3 倍［3］。圖2 為艦艇和水域的有限元模型。

圖2 流場(chǎng)水域和艦艇的有限元模型Fig.2 FEA model of warship and water

2 艦艇在水中兵器作用下的沖擊響應(yīng)分析

2.1 艦艇遭受水中兵器靜態(tài)爆炸作用的試驗(yàn)工況

水中兵器戰(zhàn)斗部為400 kg的TNT 當(dāng)量的裝藥，水中兵器靜態(tài)放置于艦艇船中正下方5 m 處發(fā)生水下爆炸。本文運(yùn)用ABAQUS/Explicit 模塊來分析艦艇在水中兵器靜態(tài)爆炸作用下的沖擊響應(yīng)，水中兵器的爆點(diǎn)在ABAQUS 軟件中的相對(duì)坐標(biāo)為(36，0，－5)，水中兵器靜態(tài)爆炸試驗(yàn)工況如圖3所示。

圖3 水中兵器靜態(tài)爆炸試驗(yàn)工況示意圖Fig.3 Picture of operating condition of static explosion test for underwater weapon

ABAQUS的聲－固耦合法在分析水下爆炸問題時(shí)會(huì)將流場(chǎng)作為聲學(xué)介質(zhì)，在其間使用“總波”公式或“散射波”公式?！吧⑸洳ā惫绞紫燃俣黧w線性，因而總壓力可被分解為入射壓力和散射壓力2個(gè)部分，它不考慮流體的氣穴過程;而“總波”公式假定流體是非線性，壓力包括散射壓力、入射壓力和流體的氣穴壓力，并需要在流體節(jié)點(diǎn)上先設(shè)定初始的靜水壓力［4］，本文采用“總波”公式進(jìn)行計(jì)算。

流－ 固耦合問題是水下爆炸的關(guān)鍵，ABAQUS 采用基于表面“Tie”約束，是基于線性動(dòng)量守恒將流體的壓力場(chǎng)和結(jié)構(gòu)的位移場(chǎng)耦合起來的。在流體和結(jié)構(gòu)的邊界并不需網(wǎng)格一一對(duì)應(yīng)，網(wǎng)格密度可以不一樣，該程序會(huì)由“Tie”約束自動(dòng)耦合運(yùn)算［5－6］。本文中艦船結(jié)構(gòu)與水域的接觸方式采用聲固耦合法，在ABAQUS 中通過關(guān)鍵字Tie 實(shí)現(xiàn)。水域邊界采用無反射邊界條件，以模擬無限水域。

2.2 水中兵器作用下水域中流場(chǎng)壓力和艦艇應(yīng)力響應(yīng)分析

在瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析中，ABAQUS 會(huì)自動(dòng)對(duì)整個(gè)聲場(chǎng)沖擊載荷數(shù)值大小進(jìn)行初始化，這不僅節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，還為了防止在傳播過程中沖擊波的數(shù)值耗散或失真［4］，圖4 中2 ms 流場(chǎng)壓力云圖即是自動(dòng)根據(jù)沖擊波載荷的數(shù)值大小對(duì)整個(gè)流場(chǎng)初始化的結(jié)果，可見圖4 較準(zhǔn)確地模擬出了聲學(xué)場(chǎng)的壓力云圖。

水中兵器在艦艇底板中心處發(fā)生爆炸 (見圖5)，水下爆炸沖擊波首先會(huì)打到艦艇底板，隨后逐步向艦首和艦尾2個(gè)方向傳播，然后會(huì)在端部出現(xiàn)反射，這樣重復(fù)幾次，直到能量耗散完畢。武器爆炸發(fā)生在艦艇底板中心，沖擊波第1個(gè)接觸到艦艇底板，底板受沖擊波的沖擊作用，底板中心會(huì)先發(fā)生應(yīng)變，并超出了鋼板的屈服極限發(fā)生破口［7－9］(見圖6)，然后應(yīng)力會(huì)由底板中心向其他部位傳遞，并最終覆蓋整個(gè)船體。在武器的靜態(tài)爆炸攻擊下，底板中心的應(yīng)變和變形會(huì)遠(yuǎn)超過船體其他部位的，計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果較為相符，具有較高的可信度。

圖4 2 ms 流場(chǎng)壓力云圖Fig.4 Pressure of flow field at 2 ms

圖5 200 ms 艦體應(yīng)力云圖Fig.5 Stress nephogram of ship structure at 200 ms

圖6 200 ms 艦艇局部破口圖Fig.6 Local break picture of Ship bottom at 200 ms

2.3 艦艇在水中兵器作用下的加速度響應(yīng)

本文計(jì)算了艦艇在水中兵器靜態(tài)爆炸作用下的沖擊響應(yīng)，由于艦艇的沖擊響應(yīng)以垂向響應(yīng)為主，因此本文以艦艇底板和主甲板的垂向加速度響應(yīng)為研究對(duì)象，分析該艦艇結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，數(shù)值模擬出了艦艇關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的垂向加速度時(shí)歷曲線，如圖7和圖8所示。

圖7 艦艇底板中心測(cè)點(diǎn)垂向加速度時(shí)歷曲線Fig.7 Vertical acceleration history curve at center node of the base plate

圖8 艦艇主甲板中心測(cè)點(diǎn)垂向加速度響應(yīng)時(shí)歷曲線Fig.8 Vertical acceleration history curve at center node of the main deck

從圖7的時(shí)歷曲線可看出，水下爆炸壓力包含了沖擊波超壓和氣泡脈動(dòng)，還包括和結(jié)構(gòu)相互耦合作用的氣穴效應(yīng)。通過比對(duì)圖7和圖8 中測(cè)點(diǎn)加速度響應(yīng)的時(shí)歷曲線可知，在爆源基本位于船體中部的條件下，船底板中部測(cè)點(diǎn)的加速度峰值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主甲板中部測(cè)點(diǎn)的加速度峰值;由于主甲板中部測(cè)點(diǎn)與爆炸源點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，垂向加速度峰值相對(duì)較小。

從圖7和圖8 可知，沿艦艇高度方向測(cè)點(diǎn)的分布情況，從計(jì)算獲得的加速度曲線可以看出位于艦艇底板的測(cè)點(diǎn)加速度值較大，艦艇主甲板的測(cè)點(diǎn)加速度輻值明顯減小。因此，當(dāng)艦艇遭受水中兵器攻擊作用時(shí)，艦艇底板和底層甲板抵消了大部分的沖擊載荷，有效的保護(hù)了上層甲板和艙室中設(shè)備和人員的安全。

3 結(jié) 語

運(yùn)用有限元程序ABAQUS 實(shí)現(xiàn)了近場(chǎng)非接觸水下爆炸的數(shù)值模擬研究，對(duì)某型艦船受水中兵器靜態(tài)爆炸試驗(yàn)工況下的沖擊響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，成功解決了流－固耦合、單元破損和失效等關(guān)鍵問題，并詳細(xì)給出了在水中兵器靜態(tài)爆炸試驗(yàn)工況下的艦船沖擊響應(yīng)結(jié)果，分析了水域流場(chǎng)壓力、艦船應(yīng)力響應(yīng)和加速度響應(yīng)的特征。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算情況基本相符，為水中兵器靜態(tài)爆炸試驗(yàn)和艦艇抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有力的依據(jù)。

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