水下爆炸載荷作用下圓柱殼的局部動響應(yīng)分析

鄧新文，奚慧巍，周學(xué)濱，金　輝

(91439部隊　大連　116041)

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水下爆炸載荷作用下圓柱殼的局部動響應(yīng)分析

鄧新文，奚慧巍，周學(xué)濱，金輝?

(91439部隊大連116041)

摘要：以水下爆炸過程中沖擊波載荷經(jīng)驗計算公式為參考依據(jù)，對水下爆炸的沖擊波過程進行分析，采用ABAQUS軟件分別利用單雙層圓柱殼體結(jié)構(gòu)模型對潛艇的艙段進行模擬，分析了這兩種結(jié)構(gòu)在爆炸載荷作用下的異同，得到了單雙層殼體受到水下爆炸作用后的殼體肋骨變形示意圖。計算結(jié)果表明: 雙層殼結(jié)構(gòu)的抗爆能力大于單層殼結(jié)構(gòu)，非耐壓殼抵御了較多的沖擊波載荷，使得耐壓殼得到了較好的保護。

關(guān)鍵詞：水下爆炸；圓柱殼；動響應(yīng)；ABAQUS軟件

作為潛艇一種典型的結(jié)構(gòu)形式，圓柱殼常被用作研究潛艇結(jié)構(gòu)強度機理。水下爆炸作為潛艇常見的毀傷模式，其相關(guān)研究越來越受到重視。顧王明等對有關(guān)潛艇結(jié)構(gòu)抗爆問題進行了研究，定量確定了沖擊波作用下帶肋圓柱殼的響應(yīng)[1]；李海濤等對彈性鋼板在水下近距離爆炸作用下的研究發(fā)現(xiàn)，沖擊波會使其附近流體形成局部空化[2]；姚熊亮等采用大型有限元計算軟件ANSYS/LSDYNA等對圓筒結(jié)構(gòu)水下爆炸進行了數(shù)值實驗研究，并對流場邊界的約束進行了討論[3]。而基于ABAQUS軟件對圓柱殼在水下爆炸載荷作用下的局部動響應(yīng)進行分析的相關(guān)研究并不多，本文通過圓柱殼模擬潛艇的有限元模型，運用已有的理論及經(jīng)驗計算公式，計算水下爆炸產(chǎn)生的載荷，探求單雙層圓柱殼受到爆炸載荷時不同的損傷機理，觀察圓柱殼艙段迎爆面撓度的變化，為優(yōu)化潛艇設(shè)計，提高潛艇的生命力提出可靠性的建議。

1沖擊波載荷計算方法

水下爆炸沖擊波在藥包爆炸后極短的時間內(nèi)產(chǎn)生，攜帶的大量能量會使沖擊波瞬間產(chǎn)生一個壓力峰值，隨后壓力以指數(shù)形式迅速下降。根據(jù)Cole的理論[4]，水下爆炸載荷的作用分為5個階段: 指數(shù)衰減階段、倒數(shù)衰減階段、倒數(shù)衰減后段、氣泡膨脹收縮段和脈動壓力段。沖擊波載荷的作用屬于指數(shù)衰減階段，其波形描述如下：

(1)

式中，pmax為沖擊波壓力峰值，Pa；t為沖擊波達到物體表面的時間，s；θ為時間衰減常數(shù)。式(1)可準(zhǔn)確描繪沖擊波壓強與時間的變化關(guān)系，也可根據(jù)式(1)計算導(dǎo)出沖擊波載荷。蘇聯(lián)學(xué)者Zamyshlyayev據(jù)此公式得到的TNT藥包爆炸沖擊波的壓力及壓力峰值為[5]

(2)

(3)

其中，W為藥量，kg；R為爆心至迎爆點的距離，m；R0為藥包的初始半徑, m；；tp為沖擊波作用結(jié)束時間,s。

2計算方法的數(shù)值驗證

本節(jié)采用一個參與過實際爆炸試驗的圓柱殼模型在ABAQUS中建模，并加載與實際相同的爆炸載荷，將ABAQUS中運算得到的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)比較，如果軟件運算的結(jié)果與實際數(shù)據(jù)大致相同，則表示軟件運算得到的數(shù)據(jù)可靠，可以運用軟件進行接下來的模擬計算。

參照美國海軍研究生院實驗?zāi)Ｐ偷某叽?，采用ABAQUS有限元軟件建立單層圓柱殼及流場模型，如圖1所示。圓桶采用Q235鋼材，長為1.067 m，外直徑為0.305 m，桶身厚為6.35 mm，兩頭蓋板厚度為25.4 mm，TNT藥包藥量為27 kg。炸藥距離圓桶7.62 m，流場直徑為1.22 m。建立有限元模型時，網(wǎng)格劃分的越小，模型模擬過程越精確，運算得到的結(jié)果就越接近真實試驗。但是網(wǎng)格劃分過細時，將大量增加運算的時間以及費用[6]。

(a)　The FE model of cylindrical shell

(b)　The FE model of outside fluid圖1　有限元模型示意圖Fig.1　The figuration of the FE model

本節(jié)通過比較有限元模型與實際實驗[7]時殼表面上的應(yīng)變，驗證圓柱殼有限元模型的準(zhǔn)確性。

圖2給出了圓柱殼迎爆面的應(yīng)變示意圖。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，通過ABAQUS模擬殼體水下爆炸，得到其應(yīng)變的分布結(jié)果與實際試驗得到的應(yīng)變分布結(jié)果極其接近。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，實際應(yīng)變在距殼體中心45 cm左右處最大，而模擬得到結(jié)果為43 cm，可以確定ABAQUS模擬的試驗結(jié)果較為準(zhǔn)確，建立的有限元模型也較為精確，在之后的實驗中可以用ABAQUS繼續(xù)模擬分析。

(a)　Experiment results

(b)　Simulation results圖2　迎爆面應(yīng)變圖Fig.2　The stain figuration of the panelsplaced on the blast side

3圓柱殼有限元建模

由于在研究圓柱殼艙段時，本文主要考察其受到爆炸載荷時的變形情況，研究其抵抗沖擊波載荷的能力，所以在結(jié)構(gòu)上只加載沖擊波載荷，暫不考慮氣泡脈動載荷以及由水深造成的水壓力載荷的影響。研究圓柱殼艙段局部損傷的重點在于殼體迎爆面處的變形，即此處撓度的變化。將計算出的水下爆炸載荷作用下單層圓柱殼的變形與同工況下的雙層圓柱殼的變形進行比較，探索單雙層殼結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力。

3.1單層圓柱殼計算模型

根據(jù)上述條件，建立了如圖3—圖5所示的單層殼艙段模型以及流場模型，其中，流場的首尾為球體，直徑為16.8 m；流場的中間為圓柱體，長度和圓柱殼長度一致，直徑和首尾球體的直徑相同。

圖3　單層圓柱殼有限元模型Fig.3　The FE model of single-deck cylindrical shell

圖4　圓柱殼有限元模型剖面圖Fig.4　The section of the FE model of cylindrical shell

圖5　外部流場模型示意圖Fig.5　The figuration of The FE model of outside fluid

3.2雙層圓柱殼計算模型

(a)　The figuration of outside FE model of cylindrical shell

(b)　The section of the FE model of cylindrical shell圖6　雙層圓柱殼有限元模型示意圖Fig.6　The FE model of double-deck cylindrical shell

圖7　雙層圓柱殼內(nèi)部舷間水的有限元模型Fig.7　The FE model of the contained water of double-deck cylindrical shell

4有限元軟件計算結(jié)果分析

4.1爆炸載荷作用下單層圓柱殼變形結(jié)果分析

圖8和圖9為藥量W=500 kg TNT的藥包，爆距R=5 m的情況下，單層圓柱殼不同部位的應(yīng)力云圖。如圖8所示，圓柱殼發(fā)生了較大的塑性應(yīng)變，迎爆面位置處已經(jīng)發(fā)生凹陷；圖9為圓柱殼剖面內(nèi)部變形情況，圓柱殼內(nèi)部的T型材發(fā)生了外翻，表明圓柱殼及T型材都受到了非常大的沖擊波影響。T型材的變形情況可以作為反映圓柱殼的損傷情況的重要標(biāo)準(zhǔn)[8]。圖10給出了該工況下耐壓殼上殼肋骨的損傷情況。

圖8　圓柱殼受到爆炸載荷作用后的應(yīng)力云圖Fig.8　Stress cloud of cylindrical shell subjected to explosion

圖9　爆炸后圓柱殼內(nèi)部剖面應(yīng)力云圖Fig.9　Stress cloud of inside section

圖10　耐壓殼上殼肋骨變形示意圖Fig.10　Figuration of the rib deformationon pressure shell

4.2爆炸載荷作用下雙層圓柱殼變形結(jié)果分析

將建立好的圓柱殼模型置于與4.1相同的工況下。不考慮水深與氣泡載荷的影響，經(jīng)過ABAQUS運算得到非耐壓殼和耐壓殼上應(yīng)力分布和變形分別如圖11-圖14所示。圖12和圖14是非耐壓殼和耐壓殼上T型材的變形情況,根據(jù)二者的T型材變形情況可以分析出非耐壓殼與耐壓殼承受沖擊波載荷時變形的差異[9]。

圖11　非耐壓殼受爆炸載荷作用后的應(yīng)力云圖Fig.11　Stress cloud of no-pressure shellsubjected to explosion

圖12　非耐壓殼上肋骨變形示意圖Fig.12　Figuration of rib deformation onno-pressure shell

圖13　耐壓殼受到爆炸載荷后的應(yīng)力云圖Fig.13　Stress cloud of pressure shellsubjected to explosion

圖14　耐壓殼上肋骨變形示意圖Fig.14　Figuration of rib deformation on pressure shell

4.3單雙層圓柱殼動態(tài)響應(yīng)結(jié)果對比

通過對比雙層圓柱殼非耐壓殼與耐壓殼上的T型材變形可知：非耐壓殼上T型材發(fā)生了非常明顯的外翻，且在爆炸載荷的作用下發(fā)生了明顯的塑性變形，而耐壓殼上T型材無明顯變化；再對比兩類殼體變形，非耐壓殼的變形遠大于耐壓殼的變形。同一工況下的有限元軟件計算結(jié)果包括應(yīng)力σ，塑性變形位移U及塑性變形區(qū)域S，如表1所列。

表1　當(dāng)W=500 kg，R=5 m時有限元軟件計算結(jié)果

由表1可知：在受到爆炸載荷作用時，單層圓柱殼體受到的應(yīng)力和變形程度及區(qū)域均大于雙層圓柱殼體，而雙層圓柱殼體結(jié)構(gòu)中非耐壓殼變形相對明顯，說明非耐壓殼承受了主要的爆炸載荷[10]。通過對比圖10與圖12可以看出，在相同工況下，雙層圓柱殼非耐壓殼的變形遠小于單層圓柱殼耐壓殼的變形，且T型材的變形也明顯小于單層圓柱殼上T型材的變形。比較結(jié)果可以得出結(jié)論：雙層圓柱殼的殼體結(jié)構(gòu)強度大于單層圓柱殼，且雙層圓柱殼模型耐壓殼上的應(yīng)力遠小于單層圓柱殼模型耐壓殼的應(yīng)力。

5結(jié)論

依據(jù)前文計算載荷的方法，通過建立單層圓柱殼與雙層圓柱殼有限元模型，探尋了潛艇艙段受水下爆炸載荷作用時的變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1)采用ABAQUS建模運算得到的結(jié)果與實際模型爆炸實驗數(shù)據(jù)大致相同，說明ABAQUS軟件可以用來進行數(shù)值模擬計算分析，且網(wǎng)格劃分要遵循符合計算需求的原則，不宜過大或過小。

2)通過觀察單層圓柱殼肋骨變形示意圖可以發(fā)現(xiàn)，中部肋骨的變形明顯大于兩邊臨近橫艙壁的肋骨。這是因為對于單層圓柱殼來說，橫艙壁剛度較大，對限制橫向沖擊變形具有一定效果，可減小臨近實肋板的沖擊損傷，但對耐壓殼塑性損傷無明顯改善效果。

3)工程上，研究者們一直在討論單層殼潛艇與雙層殼潛艇結(jié)構(gòu)強度的差異，通過本文的建模運算，單雙層圓柱殼模型耐壓殼在結(jié)構(gòu)形式、尺寸、材料均相同時，雙層殼結(jié)構(gòu)在抗爆能力上優(yōu)于單層殼結(jié)構(gòu)，因為非耐壓殼抵御了較多的沖擊波載荷，使耐壓殼得到了較好的保護。

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Analysis on the Local Dynamic Response of Cylindrical Shell Subjected to Under-Water Explosions

DENG Xin-wen，XI Hui-wei，ZHOU Xue-bin，JIN Hui

(91439 Troops of PLA，Dalian 116041，China)

Abstract:The empirical formula for blast loading in underwater explosions was used as the input of the ABAQUS software to simulate the dynamic response of the cabin of a submarine subjected to underwater explosions. Both single-and double-deck cylindrical models were used in the simulation, and the deformation of the shell ribs and the structural responses of both models were analyzed. The simulation results indicated that the invulnerability of the double deck is higher than that of the single deck, because the non-pressure shell of the double-deck resists more blasting loading, providing better protection to the pressure shell.

Key words:underwater explosion; cylindrical shell；dynamic response；ABAQUS

文獻標(biāo)志碼:A

文章編號：2095-6223(2016)011001(6)

中圖分類號：X932

通信作者?簡介：金輝(1971-)，男，浙江臨海人，高級工程師，博士，主要從事水下爆炸技術(shù)研究。E-mail:jhui126@126.com

收稿日期：2015-10-24；修回日期：2016-01-26