水下爆炸雙體船隔振性能數(shù)值仿真與試驗研究水域

李　琛，宗　智，王文冠

(1. 91439部隊，遼寧 大連　116041；

2.大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院、工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，遼寧 大連　116041)

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水下爆炸雙體船隔振性能數(shù)值仿真與試驗研究水域

李琛1，宗智2，王文冠2

(1. 91439部隊，遼寧 大連116041；

2.大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院、工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，遼寧 大連116041)

摘要：為了檢驗水下爆炸載荷作用下某雙體船隔振系統(tǒng)設(shè)計的合理性，建立了雙體船有限元模型，運用大型有限元分析軟件ABAQUS，對安裝隔振系統(tǒng)后雙體船結(jié)構(gòu)在爆炸載荷作用下的沖擊響應(yīng)進行了仿真，采用流固耦合方法考慮空化效應(yīng)和材料應(yīng)變率的影響，預(yù)估雙體船隔振性能。仿真結(jié)果表明，雙體船經(jīng)隔振設(shè)計后，在水下爆炸載荷作用下，船體底部的塑性變形顯著減小，船體的垂向加速度峰值衰減率超過95%。經(jīng)海上爆炸試驗驗證，數(shù)值仿真結(jié)果與試驗值吻合良好，雙體船隔振系統(tǒng)設(shè)計合理。

關(guān)鍵詞：雙體船;水下非接觸爆炸; ABAQUS;隔振系統(tǒng);隔振性能;數(shù)值仿真

Citation format:LI Chen, ZONG Zhi, WANG Wen-guan.Numerical Simulations and Tests Investigation in UNDEX on Isolation Performance of Catamaran[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):31-34.

盡管遠場非接觸水下爆炸對船體結(jié)構(gòu)不造成任何損傷，但是卻可能造成艦載設(shè)備損傷。由于水下爆炸在船體結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生相當(dāng)于幾千個重力加速度的沖擊，一般的儀器設(shè)備難以抵抗，造成損傷。因此，艦載設(shè)備一般要使用隔振系統(tǒng)[1,2]。

關(guān)于工業(yè)中的沖擊隔振系統(tǒng)設(shè)計，已經(jīng)有成熟的方法[3]；其關(guān)鍵是將載荷簡化為半正弦曲線，通過選取合適的彈簧系數(shù)，達到隔振的效果。由于水下爆炸載荷響應(yīng)曲線復(fù)雜，無論是沖擊載荷，還是基座的響應(yīng)不能簡單地使用半正弦曲線擬合，因此，目前工業(yè)中通用的隔振系統(tǒng)設(shè)計方法不適合于艦載設(shè)備抗水下爆炸隔振設(shè)計。

為合理設(shè)計水下爆炸載荷作用下某雙體船隔振系統(tǒng)，本研究提出數(shù)值仿真(本文使用ABAQUS軟件的水下爆炸模塊[4])與實爆試驗相結(jié)合的方法，即通過對安裝隔振系統(tǒng)后雙體船結(jié)構(gòu)在爆炸載荷作用下的沖擊響應(yīng)進行數(shù)值仿真，預(yù)估雙體船隔振性能，再通過水下爆炸試驗，進行了數(shù)值-試驗對比。

1問題描述

雙體船主要由雙體結(jié)構(gòu)鋼質(zhì)船體、隔振系統(tǒng)和輔助配套裝置等組成。雙體船隔振性能指標為垂向沖擊加速度峰值衰減率不低于95%。為滿足該雙體船隔振性能要求，設(shè)計了由鋼制試驗平臺和布置在雙體船甲板上的隔振器組成的隔振系統(tǒng)，試驗平臺面積為2.0 m×1.5 m、質(zhì)量為1 000 kg，試驗平臺由8個隔振器與雙體船甲板相連。

首先，對于沒有隔振系統(tǒng)的雙體船進行數(shù)值水下爆炸預(yù)報。根據(jù)船體的加速度響應(yīng)，初步確定了隔振器3個方向剛度為0.1 kN/mm。采用大型有限元軟件ABAQUS，對安裝隔振系統(tǒng)后雙體船船體及試驗平臺在水下爆炸沖擊作用下的沖擊響應(yīng)進行數(shù)值模擬，通過模擬結(jié)果判斷雙體船船體的垂向加速度峰值衰減率是否滿足設(shè)計要求，從而檢驗隔振系統(tǒng)設(shè)計的合理性。

2仿真模型建立

現(xiàn)代計算機技術(shù)和計算力學(xué)的發(fā)展，為水下爆炸數(shù)值模擬方法[5-9]的研究提供了很好的解決途徑。數(shù)值仿真技術(shù)在水下爆炸載荷作用下的結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)實際上是流-固耦合問題，而聲-固耦合法是處理上述問題行之有效的方法之一[4]。本文采用ABAQUS內(nèi)嵌的聲-固耦合方法，采用一種聲學(xué)介質(zhì)來描述流體，沖擊波在聲學(xué)單元中傳播。

2.1有限元模型

利用 Pro/E 軟件建立某型艦的幾何模型(圖1)。坐標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。雙體船模型由HyperMesh建立(圖2)，導(dǎo)入ABAQUS后進行有限元分析計算。船體外板和水密艙壁網(wǎng)格由0.1×0.1四邊形網(wǎng)格劃分，其中最小網(wǎng)格邊長0.016，最大網(wǎng)格邊長0.17。外板和水密艙壁總單元數(shù)為17 244個，其中四邊形單元16 727個，三角形單元517個。船體梁由0.1線網(wǎng)格劃分，線單元8 106個。水域半徑取船體半寬(型寬一半)的6倍[10]12 m，水域中間為長13 m，半徑12 m的半圓柱，兩邊為半徑12 m的四分之一球。將流場底面邊界設(shè)為無反射邊界[10],水域由內(nèi)到外網(wǎng)格大小依次為0.1,0.2,0.4,0.8，單元總數(shù)為1 704 116，單元類型為聲學(xué)四面體單元。

圖1　模型整體

圖2　雙體船外板模型

2.2材料屬性

在有限元網(wǎng)格實體模型建立的基礎(chǔ)上，對模型添加材料屬性及約束條件。雙體船材料選用Q235鋼，密度為7.85×103kg/m3，楊氏模量為2.1×1011N/m，泊松比為0.3，塑性屬性中屈服應(yīng)力為2.35×108Pa時塑性應(yīng)變?yōu)?；屈服應(yīng)力為3.5×108Pa時塑性應(yīng)變?yōu)?.15。水域密度1 000 kg/m3，聲學(xué)介質(zhì)2.140 9×109Pa。

2.3計算工況

在仿真模型建立的基礎(chǔ)上，提交ABAQUS軟件求解器進行計算，計算工況如表1所示。

表1　數(shù)值仿真工況

通過隔振器船上節(jié)點和平臺節(jié)點輸出的垂向加速度峰值，計算衰減率，檢驗隔振系統(tǒng)的隔振效果。隔振器布置如圖3所示。

圖3　隔振器布置

3仿真試驗結(jié)果

3.1隔振前后垂向加速度對比

沖擊造成的船體沖擊響應(yīng)，在船體的各個部位是不同的，對于雙體船來說，垂向加速度是主要的。兩種工況下隔振前后垂向加速度數(shù)值計算結(jié)果如圖4所示。

圖4　隔振前后垂向加速度數(shù)值計算結(jié)果

兩種工況下隔振前后垂向加速度峰值數(shù)值及衰減率如表2所示。

表2　隔振前后垂向加速度峰值及衰減率

3.2隔振前后垂向加速度響應(yīng)

圖5(a)～圖5(d)所示為兩種工況下6號隔振器雙體船隔振前后垂向加速度時程曲線(圖中加速度單位為m·s-2)，可以看出經(jīng)隔振器隔振后，雙體船平臺上垂向加速度有很大衰減。

圖5　隔振前后垂向加速度響應(yīng)

3.3仿真試驗結(jié)論

從仿真計算結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

1) 工況一雙體船甲板最大加速度2.09×104m/s2，試驗平臺最大加速度59.4 m/s2，達到了99%衰減率的隔振效果。工況二雙體船甲板最大加速度2.31×104m/s2，試驗平臺最大加速度65.2 m/s2，達到了99%衰減率的隔振效果。

2) 雙體船船體沖擊響應(yīng)通過設(shè)計安裝的隔振系統(tǒng)能夠大幅衰減，特別是加速度峰值的衰減率達到99%，滿足隔振系統(tǒng)的設(shè)計要求，能夠保證測量設(shè)備的沖擊安全。

4試驗驗證及分析

4.1水下爆炸試驗

為驗證數(shù)值仿真模型建立的準確性和隔振系統(tǒng)設(shè)計的科學(xué)性，按照仿真試驗中隔振系統(tǒng)設(shè)計方案進行隔振器的選型、安裝布置以及與試驗平臺的連接方式。水下爆炸試驗工況如表3所示。

表3　試驗工況

在迎爆面左右2個隔振器基礎(chǔ)及對應(yīng)的試驗平臺頂部位置、背爆面右側(cè)隔振器基礎(chǔ)及對應(yīng)的試驗平臺頂部位置共布設(shè)6個測點，每個測點測量垂向、縱向、橫向3個方向的加速度數(shù)據(jù)。測點布設(shè)如圖6所示，測點A1對應(yīng)仿真計算中1號隔振器，測點A3對應(yīng)仿真計算中6號隔振器。

圖6　測點布設(shè)

測點A1在兩種工況下的加速度時程曲線如圖7(a)、圖7(b)所示。

圖7　隔振前后垂向加速度時程曲線

4.2試驗結(jié)果與計算結(jié)果對比

海上實爆試驗結(jié)果與仿真試驗結(jié)果對比如表4所示。

從表4數(shù)據(jù)中可以看出，數(shù)值計算的結(jié)果和實爆試驗結(jié)果吻合良好，說明有限元模型建立準確，隔振器選型、布置方式及隔振系統(tǒng)設(shè)計合理，對雙體船上測量設(shè)備能夠進行一定的沖擊防護作用。

表4　實爆試驗與仿真試驗結(jié)果對比

5結(jié)束語

本研究通過對安裝隔振系統(tǒng)后雙體船船體及試驗平臺在水下爆炸作用下的沖擊響應(yīng)進行數(shù)值仿真計算，得出以下結(jié)論：

1) 采用有限元軟件ABAQUS及內(nèi)嵌的聲-固耦合方法計算水下爆炸沖擊作用下雙體船的沖擊響應(yīng)，數(shù)值計算結(jié)果與試驗值吻合良好，計算誤差在工程接受的范圍內(nèi)；聲-固耦合方法可以準確地模擬雙體船在水下非接觸爆炸作用下的動態(tài)響應(yīng)；

2) 由鋼制試驗平臺和布置在雙體船甲板上的隔振器組成的隔振系統(tǒng)設(shè)計合理，隔振器選型、布置方式及與試驗平臺連接方式正確，雙體船船體垂向加速度衰減率滿足設(shè)計研制要求。

參考文獻：

[1]ZONG Z,LAM K Y,GAN T.Limiting performance analysis of underwater shock isolation of a system with biodynamic response using genetic algorithm[J].Shock and Vibration,2000,7(5):321-332.

[2]蔣國巖,賈則,宋敬利.水下爆炸載荷作用下隔振系統(tǒng)與艦船結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2009(13):92-93．

[3]GB50463—2008,隔振設(shè)計規(guī)范[S].

[4]宗智,趙延杰,鄒麗.水下爆炸結(jié)構(gòu)毀傷的數(shù)值計算[M].北京：科學(xué)出版社，2014．

[5]CHAN S K.An improvement in the modified finite element procedure for underwater shock anaslysis[C]//Proceeding of 62ndShock and Vibration Symposium.[S.l.]:[s.n.],1992.

[6]孫百連，顧文彬，蔣建平，等.淺層水中沉底的兩個裝藥爆炸的數(shù)值模擬研究[J].爆炸與沖擊，2003，23(5):460-465.

[7]KELLER J B.Damping of underwater explosion bubble oscillations[J].Journal of Applied physics,1956,27(10):l152-1161.

[8]符松，王智平，張兆順,等.近水面水下爆炸的數(shù)值研究[J].力學(xué)學(xué)報,1995(5):267-276.

[9]趙漢中.在開闊空間中水對爆炸沖擊波的削波作用[J].爆炸與沖擊，2001，21(1):26-28.

[10]姚熊亮,徐小剛,張鳳香.流場網(wǎng)格劃分對水下爆炸結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2003,6(3):238-244．

[11]項大林，榮吉利，何軒，等.等效水下爆炸沖擊加載裝置的設(shè)計研究[J].兵工學(xué)報，2014，35(6):857-863.

[12]陳高杰，沈曉樂，王樹樂，等. 基于聲固耦合法的環(huán)肋殼水下沖擊數(shù)值仿真試驗[J].兵工自動化，2015(2):7-10.

(責(zé)任編輯周江川)

Numerical Simulations and Tests Investigation in UNDEX on Isolation Performance of Catamaran

LI Chen1, ZONG Zhi2, WANG Wen-guan2

(1.The No. 91439thTroop of PLA, Dalian 116041, China; 2.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, School of Naval Architecture, Dalian University of Technology, Dalian 116041, China)

Abstract:In order to test the design rationality of a catamaran vibration isolation system in UNDEX, the catamaran finite element model was established. And using the large finite element analysis software ABAQUS, we simulated the impulsion response of the catamaran structure subjected to the explosion loading after setting up vibration system, and we predicted the vibration isolation performance of catamaran by adopting fluid solid coupling method with considering the influence of cavitation effects and material strain rate strengthen effect. Simulation results show that the plastic deformation of hull bottom is significantly reduced and vertical acceleration peak decrement of hull is above 95% via the vibration isolation design of catamaran structure in UNDEX. The result of offshore explosion test verifies that the coincidence numerical simulations with test value is good and the catamaran vibration system design is rational.

Key words:catamaran; non-contact underwater explosion; ABAQUS; vibration system; vibration performance; numerical simulation

文章編號：1006-0707(2016)03-0031-05

中圖分類號：U661.4

文獻標識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.008

作者簡介：李琛(1972—)，女，碩士，高級工程師，主要從事水下爆炸測量與數(shù)值仿真研究。

基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(2013cb036101)；國家自然科學(xué)基金面上項目(510279030)

收稿日期：2015-10-18；修回日期：2015-10-29

本文引用格式：李琛，宗智，王文冠.水下爆炸雙體船隔振性能數(shù)值仿真與試驗研究水域[J].兵器裝備工程學(xué)報，2016(3):31-34.

【裝備理論與裝備技術(shù)】