基于ABAQUS的近距水下爆炸對艦艇的沖擊響應(yīng)研究

焦安龍，賈 則，陳高杰

（中國人民解放軍91439部隊 遼寧 大連 116041）

基于ABAQUS的近距水下爆炸對艦艇的沖擊響應(yīng)研究

焦安龍，賈 則，陳高杰

（中國人民解放軍91439部隊 遼寧 大連 116041）

艦艇非接觸水下爆炸沖擊響應(yīng)是一個重要而復(fù)雜的問題，對艦艇結(jié)構(gòu)和設(shè)備抗爆抗沖擊的研究有著重要的意義。運用有限元程序ABAQUS對艦艇在近距離非接觸水下爆炸作用下的沖擊響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值仿真，詳細(xì)給出艦艇沖擊響應(yīng)的結(jié)果，由此獲得艦艇結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)、加速度響應(yīng)和速度響應(yīng)的規(guī)律，為實船抗沖擊試驗奠定了理論基礎(chǔ)。數(shù)值仿真所得艦艇響應(yīng)規(guī)律與實際計算分析情況基本相符,為艦艇抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

水下爆炸；ABAQUS；聲-固耦合；沖擊響應(yīng)；數(shù)值模擬

隨著水中兵器的發(fā)展，水下爆炸的當(dāng)量、沖擊持續(xù)作用時間及沖擊波強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，水下爆炸載荷對艦艇結(jié)構(gòu)的直接破壞作用越來越大，直接威脅著艦艇的作戰(zhàn)能力和生命力，所以提高艦艇的抗沖擊性能成為一項迫切的任務(wù)。炸藥在水中爆炸后會產(chǎn)生沖擊波，沖擊波作用時間短，但壓力幅值極大，往往能使艦船產(chǎn)生嚴(yán)重變形甚至破損[1-3]。研究艦艇在水下爆炸沖擊波作用下的動態(tài)響應(yīng)對提高艦艇的抗爆性能具有重要意義。

近年來，由于計算機(jī)硬件和軟件的高速發(fā)展，在研究水下爆炸問題時數(shù)值計算方法得到越來越多的應(yīng)用，許多學(xué)者對于船舶在水下爆炸作用下的沖擊響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。2003年，張振華、朱錫、馮剛等提供了一個利用MSC/DYTRAN和FORTRAN聯(lián)合使用數(shù)值模擬水面船舶在遠(yuǎn)距離水下爆炸載荷作用下動力響應(yīng)方法[4]。同年，姚熊亮、侯健、王玉紅等利用ANSYS/LS-DYNA計算了船體在不同炸藥當(dāng)量、起爆位置、有限元網(wǎng)格劃分時的沖擊環(huán)境，分析了船體在不同工況下的沖擊響應(yīng)[5]。吳有生等研究了爆炸載荷作用下艦船板架的變形與破損[6]。在本文中，采用ABAQUS對炸藥水下爆炸作用下船體結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到艦船在水下爆炸下的響應(yīng)規(guī)律，為艦艇的防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供有力的依據(jù)。

1 某型艦艇有限元模型的建立

利用Pro/E軟件建立某型艦的幾何模型。坐標(biāo)系的選擇：坐標(biāo)原點為基平面與中縱剖面和FR0剖面的交點，X軸指向船首，Y軸指向左舷，Z軸豎直向上。利用Hypermesh軟件建立某型艦的有限元模型，船體結(jié)構(gòu)的單元類型為殼單元和梁單元，結(jié)構(gòu)的單元尺寸為0.5 m，該船體結(jié)構(gòu)從底至上分別為底艙、平臺甲板、主甲板、艏樓甲板、駕駛平臺和羅經(jīng)平臺。水域的單元類型為聲學(xué)單元，單元個數(shù)為349 812個。水域分為3個部分，采用中間為圓柱體、兩端為球體的形狀，由于該艦艇屬于表面船，所以中部為一個圓柱體的一半，兩端是相同半徑的球體的1/4，圓柱體和球體的半徑為船體結(jié)構(gòu)半寬的6倍[7]。水域用六面體聲學(xué)單元劃分網(wǎng)格，設(shè)置單元類型為AC3D8R，共劃分三層，與船體結(jié)構(gòu)相連的部分單元尺寸最小，向外逐漸變大。船體和水域的有限元模型如圖1所示。

2 某型艦艇水下爆炸沖擊響應(yīng)的數(shù)值模擬

2.1 水下爆炸試驗工況

本文水下爆炸數(shù)值仿真的工況，采用300 kg的TNT球形炸藥，爆源位于艦艇船舯正下方5 m處。本文運用ABAQUS/Explicit模塊來獲取艦艇的水下爆炸沖擊響應(yīng)，爆點在ABAQUS軟件中的相對坐標(biāo)為：（31,0,-5），工況示意圖如圖2所示。

圖1 艦艇和水域的有限元模型Fig.1 FEA model of warship and water

圖2 水下爆炸工況示意圖Fig.2 Picture of operating condition of underwater explosion

流體和結(jié)構(gòu)的相互作用是水下爆炸問題中的關(guān)鍵，ABAQUS基于表面使用“Tie”約束，通過線性動量守恒將結(jié)構(gòu)的位移場和流體的壓力場耦合起來。在結(jié)構(gòu)和流體的界面處不需要網(wǎng)格的一一對應(yīng)[8]，可以采用不同的網(wǎng)格密度，程序通過“Tie”約束自動耦合進(jìn)行計算。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實現(xiàn)。水域邊界采用無反射邊界條件，以模擬無限水域。

在瞬態(tài)動力分析中，ABAQUS自動根據(jù)沖擊波載荷的數(shù)值大小對整個聲學(xué)場(即流場)進(jìn)行初始化，這不僅是為了節(jié)省計算的時間，而且還可以防止沖擊波在傳播過程中的數(shù)值耗散或者失真。本文采用Geers-Hunter的水下爆炸集成沖擊波和氣泡脈動的雙重漸近模型來計算水下爆炸載荷。本文只關(guān)注沖擊波載荷對結(jié)構(gòu)的作用，因此只要爆炸載荷加載時間明顯比氣泡脈動周期小，那么氣泡脈動載荷就可以忽略不計。爆點A的沖擊波壓力運用Geers-Hunter模型計算，其公式如下：

在t＜7Tc時（沖擊波階段），沖擊波壓力為：

在t＞7Tc時(氣泡脈動階段)，氣泡脈動壓力可以由（3）式求得，

（3）式中，a可以由公式（4）聯(lián)合求得：

式（1）～式（4）中，mc和ac分別是藥包的質(zhì)量和初始半徑，Kc、K、k、r、A和B都是材料常數(shù)，ρc為炸藥的密度，ρf為流體的密度，cf為流場中的聲速，g為重力加速度，PI為爆心處流體靜壓，CD為經(jīng)驗流體阻力系數(shù)，Vc為炸藥的初始體積，R為測點到氣泡中心的距離，根據(jù)以上公式能夠計算炸藥水下爆炸沖擊波到氣泡脈動壓力的整個過程。

2.2 艦艇應(yīng)力響應(yīng)和艦底外板局部變形

若材料受到一個作用時間極短的超過其屈服極限的載荷時，可以認(rèn)為材料是安全的，但是若材料受到的超過其屈服極限的載荷是一個長期行為時，那么材料就要失去穩(wěn)性而斷裂[9]。如圖3和圖4所示，在水下爆炸沖擊波載荷的作用下使艦體產(chǎn)生局部結(jié)構(gòu)的扭曲變形，嚴(yán)重時會造成艦體的破裂，本文中爆源位于艦底中部正下方爆炸，沖擊波會首先射到艦底，由于艦底外板受沖擊波載荷的直接作用，艦底板中心處首先發(fā)生塑性應(yīng)變，并超過了材料的屈服極限產(chǎn)生破口，隨后沖擊波開始由艦底板中心向上層和首尾兩側(cè)傳遞到艦艇結(jié)構(gòu)的其他部位，最后覆蓋到整個艦體。在水下爆炸沖擊波載荷的作用下，艦底外板中心處的應(yīng)力和變形要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于艦艇其他部位的應(yīng)力和變形，數(shù)值仿真的結(jié)果與實際計算分析結(jié)果基本相符，對實船爆炸試驗的開展具有較高的參考價值。

圖3 200毫秒的艦體應(yīng)力云圖Fig.3 Stress nephogram of ship structure at 200 ms

2.3 船體加速度響應(yīng)和速度沖擊響應(yīng)

測點布設(shè)工況圖如圖5所示，艦艇底板中心測點垂向加速度和垂向速度時歷曲線如圖6所示。

圖4 200毫秒的艦底外板局部變形圖Fig.4 Local break picture of ship bottom at 200 ms

圖5 測點布設(shè)工況圖Fig.5 Picture of operating condition of test node

圖6 艦艇底板中心測點垂向加速度和垂向速度時歷曲線Fig.6 Vertical acceleration and velocity history curve at center node of the base plate

從圖6(a)中艦艇底板中部測點垂向加速度時歷曲線可以看出，由于非接觸水下爆炸壓力波包含沖擊波和多次氣泡脈動壓力，且受到與結(jié)構(gòu)的相互耦合作用的影響，其中氣泡膨脹產(chǎn)生的氣泡脈動壓力的能量以低頻為主，沖擊波的能量主要集中在中高頻。圖6(b)中艦艇底板中心垂向速度歷程曲線可以看出，初始階段是沖擊波作用，之后在反射稀疏波作用下速度迅速下降，到0.12 s左右第一次氣泡脈動作用開始，測點開始加速，氣泡脈動對艦艇結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較明顯的作用。氣泡脈動對艦艇的損傷在一些時候會比沖擊波更為嚴(yán)重。其原因是水下爆炸沖擊波壓力往往會造成艦船的局部損傷，而現(xiàn)代艦船的設(shè)計一般有足夠的強(qiáng)度來抵抗結(jié)構(gòu)的局部損傷。從另一方面來看，當(dāng)艦艇受到非接觸水下爆炸沖擊作用時，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)論

本文運用有限元程序ABAQUS對某型艦艇在近距離非接觸水下爆炸作用下的沖擊響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，有效解決了流固耦合和邊界條件的處理等問題，并詳細(xì)給出了某型艦艇遭受近距離水下爆炸后的沖擊響應(yīng)結(jié)果，獲得了艦艇的應(yīng)力響應(yīng)、加速度響應(yīng)和速度響應(yīng)的規(guī)律。數(shù)值模擬艦艇在非接觸水下爆炸作用下的沖擊響應(yīng)規(guī)律與實際計算分析結(jié)果基本相符，具有較高的可信度，為實船爆炸試驗的開展提供參考。

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The research of shock response on warship subjected to a close underwater explosion based on ABAQUS

JIAO An-long,JIA Ze,CHEN Gao-jie
（Unit 91439 of PLA,Dalian 116041,China）

The dynamical response to underwater explosion of a warship is an important and complex problem,which has great importance to the research of ship structure and equipment anti-explosion.In this paper,the dynamical response of a warship has been simulated by the commercial finite element program ABAQUS,and the results of the shock response for the ship is shown in detail,thus,the stress response of the hull,the acceleration response of the hull and the speed response of the hull are obtained,which establish the theoretical basis for impact test of real ship.The response regularity of numerical simulation are corresponding to actual computing analysis,which provides a strong basis for ship structure design.

underwater explosion;ABAQUS;acoustic-solid coupling;shock response;numerical simulation

TN302

A

1674－6236（2015）10-0179-03

2014-08-28 稿件編號：201408175

焦安龍(1974—)，男，山東日照人，工程師。研究方向：水中兵器及艦船抗沖擊試驗總體技術(shù)。