基于數(shù)值仿真船體結(jié)構(gòu)毀傷測(cè)點(diǎn)布設(shè)方法研究

李 琛，宋敬利，沈曉樂(lè)

（海軍91439部隊(duì)，遼寧大連 116041）

基于數(shù)值仿真船體結(jié)構(gòu)毀傷測(cè)點(diǎn)布設(shè)方法研究

李 琛，宋敬利，沈曉樂(lè)

（海軍91439部隊(duì)，遼寧大連 116041）

為有效測(cè)量水下爆炸作用下船體結(jié)構(gòu)的毀傷程度，優(yōu)化測(cè)點(diǎn)布設(shè)，建立了典型艦船有限元模型，運(yùn)用大型有限元分析軟件ABAQUS提供的聲固耦合方法，對(duì)船體結(jié)構(gòu)在爆炸載荷作用下的沖擊響應(yīng)進(jìn)行仿真；依據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果，分析船體結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)，并將這些薄弱環(huán)節(jié)作為重點(diǎn)測(cè)量部位，結(jié)合工程實(shí)踐和海上試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，在準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)構(gòu)毀傷的基礎(chǔ)上，合理布設(shè)傳感器測(cè)點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)了水下爆炸作用下船體結(jié)構(gòu)毀傷測(cè)點(diǎn)布設(shè)方法；經(jīng)海上爆炸試驗(yàn)驗(yàn)證，數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果吻合良好，該毀傷測(cè)點(diǎn)布設(shè)方法設(shè)計(jì)合理。

水下爆炸；數(shù)值仿真；船體結(jié)構(gòu)毀傷；測(cè)點(diǎn)布設(shè)

0 引言

船體結(jié)構(gòu)作為所有功能系統(tǒng)的載體和安裝平臺(tái)，其爆炸安全性直接影響整個(gè)艦船的生命力。船體結(jié)構(gòu)在水下爆炸作用下的毀傷程度，是艦船生命力的反映，同時(shí)也是水中兵器作戰(zhàn)效能和毀傷目標(biāo)能力的重要體現(xiàn)。船體結(jié)構(gòu)毀傷測(cè)量作為水中兵器毀傷能力試驗(yàn)鑒定的重要內(nèi)容，測(cè)量的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到對(duì)水中兵器毀傷能力和作戰(zhàn)效能的客觀評(píng)價(jià)。因此，研究確定合理的船體結(jié)構(gòu)毀傷測(cè)點(diǎn)布設(shè)方法，準(zhǔn)確測(cè)量船體結(jié)構(gòu)毀傷，對(duì)于有效檢驗(yàn)水中兵器毀傷能力和作戰(zhàn)效能具有重要意義。

水下爆炸仿真主要進(jìn)行水下爆炸對(duì)目標(biāo)毀傷的物理、數(shù)學(xué)模型研究，通過(guò)研究實(shí)現(xiàn)水中兵器爆炸威力以及艦船抗爆抗沖擊的數(shù)值模擬與全過(guò)程仿真［1］。隨著各種商用有限元程序的引進(jìn)，我國(guó)研究學(xué)者在數(shù)值仿真研究中取得了大量成果［2 8］。本文采用通用數(shù)值程序ABAQUS中的聲固耦合法，模擬水下近場(chǎng)爆炸作用下某典型艦船船體的響應(yīng)，獲得水下近場(chǎng)爆炸該型船體結(jié)構(gòu)毀傷效果。依據(jù)仿真分析，給出指定工況條件下船體結(jié)構(gòu)響應(yīng)的大致范圍，合理選擇傳感器的類型和量程，從而避免產(chǎn)生量程過(guò)大、試驗(yàn)數(shù)據(jù)信噪比差和量程過(guò)小、容易引起傳感器損壞的問(wèn)題，提高系統(tǒng)測(cè)試精度；同時(shí)，依據(jù)數(shù)值結(jié)果，給出沖擊條件下船體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布設(shè)，用有限的測(cè)點(diǎn)獲得船體結(jié)構(gòu)響應(yīng)的主要信息，完成試驗(yàn)考核任務(wù)。

1 仿真模型的建立

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，數(shù)值分析成為水下爆炸研究有效的技術(shù)手段。水下爆炸載荷作用下的船體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)際上是流－固耦合問(wèn)題，而聲－固耦合法是處理上述問(wèn)題行之有效的方法之一［9 10］。水中兵器爆炸對(duì)艦船目標(biāo)的毀傷破壞主要是由戰(zhàn)斗部在水中爆炸形成的沖擊波、由爆炸產(chǎn)物所形成的球狀氣室（氣泡）和由氣泡脈動(dòng)形成的脈動(dòng)壓力波及其他力量作用的結(jié)果［11］。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(lái)描述流體，沖擊波在聲學(xué)單元中傳播。

1.1 有限元模型

采用有限元軟件ANSYS建立某型艦的幾何模型。有限元模型采用笛卡爾坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)取在基線上第125號(hào)肋骨處，x軸重合于基線，向艦首方向?yàn)檎?；y軸垂直于中線面，向左舷為正；z軸垂直于水線面，向上方為正。該艦?zāi)Ｐ陀葾NSYS建立，導(dǎo)入到ABAQUS后進(jìn)行有限元分析計(jì)算。

取流場(chǎng)半徑是結(jié)構(gòu)半徑的6倍［12］，在ABAQUS里建立某艦周圍流場(chǎng)有限元模型，結(jié)合ABAQUS軟件中的模型，最終形成某艦與其周圍流場(chǎng)的三維有限元模型，如圖1所示。

圖1 某艦及其周圍流場(chǎng)有限元模型

1.2 計(jì)算工況

本文選取船底正下方所對(duì)應(yīng)的工況，工況設(shè)置如表1所示。藥包藥量為1，爆炸位置沿船長(zhǎng)方向?yàn)轸疾勘ǎ?／8船長(zhǎng)處）、舯部爆炸（1／2船長(zhǎng)處）和艉部爆炸（7／8船長(zhǎng)處），對(duì)不同水下爆炸典型工況的艦船近場(chǎng)毀傷效果進(jìn)行校核。

表1 DENM消息的分類及對(duì)應(yīng)的保鮮度

2 仿真結(jié)果及分析

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在工況1，即藥包藥量為1、爆距為0.18，爆點(diǎn)在船底正下方，爆點(diǎn)位置在船艏方向時(shí)，應(yīng)力、應(yīng)變以及加速度幅值最大。下面結(jié)合該工況中船體的應(yīng)力、應(yīng)變、加速度等計(jì)算參數(shù)，對(duì)水下爆炸作用下某艦的局部強(qiáng)度毀傷和沖擊環(huán)境進(jìn)行分析。

2.1 局部強(qiáng)度毀傷分析

圖2為工況1下全船、外板和平臺(tái)甲板的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D。

圖2 船體的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D

表2給出爆點(diǎn)位于船艏下方相對(duì)應(yīng)的破口尺寸，內(nèi)底板以及龍骨的塑性變形。

表2 爆點(diǎn)位于艏部下方的計(jì)算數(shù)據(jù)m

由圖2可以看出，爆源在船艏部船底正下方爆炸時(shí)，在水下爆炸沖擊波載荷作用下，沖擊波最先接觸到船底板，船底外板受沖擊波載荷的直接作用，船艏部船底板處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中并首先發(fā)生應(yīng)變，且超出了材料的屈服極限，外板局部出現(xiàn)破口；隨后應(yīng)變由船艏部船底板處向上部和艏艉兩側(cè)傳遞到船體結(jié)構(gòu)的其他部分，最后覆蓋整個(gè)船體。由表2可以看出，船艏底部迎爆面毀傷情況較為嚴(yán)重，外板、內(nèi)底板出現(xiàn)較大的塑性變形；取失效應(yīng)變?yōu)?.28，外板局部出現(xiàn)破口，完整破口半徑約為0.8 m。船艏底部為船體船體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，船艏部船底外板處的應(yīng)變和變形要遠(yuǎn)大于船體其他部位的應(yīng)變和變形，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際分析情況較為相符，具有較高的可信度。

2.2 沖擊環(huán)境分析

沖擊造成的船體沖擊響應(yīng)，在船體的各個(gè)部位是不同的，對(duì)于水面艦船來(lái)說(shuō)，垂直沖擊速度是主要的［13］。將建立的某艦有限元模型，進(jìn)行水下爆炸沖擊響應(yīng)計(jì)算，提取船體典型測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)歷曲線。

爆源TNT當(dāng)量為1、爆距0.09，船底正下方攻擊、爆炸位置位于船艏時(shí)，爆炸沖擊下船體典型測(cè)點(diǎn)的垂向加速度峰值見(jiàn)表3。

表3 典型_測(cè)點(diǎn)垂向加速度峰值

通過(guò)比對(duì)表3中測(cè)點(diǎn)的垂向加速度峰值可知，垂向加速度峰值大小主要和測(cè)點(diǎn)與沖擊波最先到達(dá)點(diǎn)之間的距離有關(guān)，船底板中部測(cè)點(diǎn)7的加速度峰值比2甲板中部測(cè)點(diǎn)8的加速度峰值大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主甲板中部測(cè)點(diǎn)9的加速度峰值；船底板距離爆點(diǎn)最近，因而其沖擊加速度最大，到了相對(duì)爆點(diǎn)比較遠(yuǎn)的主甲板加速度迅速下降，可見(jiàn)，隨著距爆點(diǎn)距離的的增大，加速度曲線峰值減小。同時(shí)，由于船體結(jié)構(gòu)的緩沖作用，使得各層平臺(tái)和甲板所承受的沖擊響應(yīng)隨著層次的提高，一層比一層小，高頻運(yùn)動(dòng)的分量逐漸衰減。

圖6～圖9給出了爆源TNT當(dāng)量為1、爆距0.09，船底正下方攻擊、爆炸位置位于船艏時(shí)，爆炸沖擊下船體典型測(cè)點(diǎn)的垂向加速度曲線。

圖61 甲板測(cè)點(diǎn)3加速度曲線

圖71 甲板測(cè)點(diǎn)5加速度曲線

通過(guò)比對(duì)圖6和圖7中測(cè)點(diǎn)加速度響應(yīng)的時(shí)歷曲線可知，船體底板舯部和艏部的響應(yīng)不同，但都能明顯反映出沖擊波的直接作用，峰值大且波形陡峭。隨著時(shí)間的增加，響應(yīng)迅速減小，這是由于船體底板完全與水耦合，振動(dòng)能量散失很快；另外，底板舯部的加速度峰值出現(xiàn)時(shí)間較底板艏部加速度峰值出現(xiàn)的時(shí)間有明顯的延遲現(xiàn)象，這是由于沖擊波最先到達(dá)底板艏部，而后才能傳遞到底板舯部去，所以底板舯部和船艉部在響應(yīng)時(shí)間上會(huì)產(chǎn)生一定的延遲現(xiàn)象。

圖8 船底板測(cè)點(diǎn)7加速度曲線

圖9 主甲板測(cè)點(diǎn)9加速度曲線

3 船體結(jié)構(gòu)毀傷測(cè)點(diǎn)布設(shè)方法

水下爆炸毀傷艦船試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)需求大，測(cè)量通道數(shù)多，實(shí)施越復(fù)雜。依據(jù)水爆作用下船體結(jié)構(gòu)毀傷數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果，能夠確定爆炸沖擊作用下船體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，通過(guò)優(yōu)化測(cè)點(diǎn)布設(shè)，可減少測(cè)量通道數(shù)。

3.1 船體結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)

從圖2可以看出，爆炸位置為船艏時(shí)，船艏1／4、船舯、船艉1／4橫剖面的應(yīng)力較為集中，為載荷較大部位；船艏底部迎爆面區(qū)域?yàn)榕c爆心距離較近的區(qū)域，應(yīng)力集中比較嚴(yán)重，局部出現(xiàn)破口；船體結(jié)構(gòu)被削弱部位，如存在大開(kāi)口的橫剖面；應(yīng)力集中較嚴(yán)重的部位，如開(kāi)口角隅部位，結(jié)構(gòu)尺寸、材料屬性發(fā)生突變的部位；焊縫部位及焊接熱影響區(qū)等。上述部位為船體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，在進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布設(shè)時(shí)，盡量密集布置，以便準(zhǔn)確反映水爆作用下的船體結(jié)構(gòu)毀傷情況。

3.2 船體結(jié)構(gòu)毀傷測(cè)量測(cè)點(diǎn)布設(shè)方法

船體結(jié)構(gòu)毀傷測(cè)量參數(shù)主要包括爆炸后測(cè)量參數(shù)和實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù)。爆炸后測(cè)量參數(shù)主要包括塑性變形的幅度和變化規(guī)律、塑性變形區(qū)域范圍、破口尺寸、殼板裂紋擴(kuò)展路徑和裂紋邊緣厚度減薄，由邊緣厚度減薄率可計(jì)算得出塑性極限應(yīng)變［14］?？刹捎梅墙佑|應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)對(duì)上述爆炸后參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù)主要包括典型部位的應(yīng)變和加速度。

1）應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布設(shè)：依據(jù)仿真結(jié)果，若炸點(diǎn)位于船艏正下方時(shí)，船外板可能會(huì)出現(xiàn)破口；若炸點(diǎn)位于船舯或船艉正下方時(shí)，在外板、內(nèi)底板和龍骨出現(xiàn)塑性變形，因此，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)主要布設(shè)在外板、內(nèi)底板和船體結(jié)構(gòu)的其他薄弱環(huán)節(jié)上。由于應(yīng)變片價(jià)格低廉，粘貼方便，在船體結(jié)構(gòu)上可布設(shè)多個(gè)應(yīng)變片，可通過(guò)仿真結(jié)果中船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力峰值計(jì)算并選擇適合的應(yīng)變片量程。

在主甲板中線上，沿艏艉方向，按8等分，在等分線上布置測(cè)點(diǎn)；在等分線左右兩側(cè)甲板上每個(gè)區(qū)域布設(shè)2個(gè)測(cè)點(diǎn)，左右各16個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別測(cè)量垂向和縱向應(yīng)變，測(cè)點(diǎn)可設(shè)置在板格中部或板與骨架連接處。

在底部外板上，沿艏艉方向，按8等分，將左右舷側(cè)劃分為8個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域布設(shè)2個(gè)測(cè)點(diǎn)，左右舷側(cè)各16個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別測(cè)量垂向和縱向應(yīng)變，測(cè)點(diǎn)可設(shè)置在板格中部或板與骨架連接處。艦船水下爆炸沖擊波載荷作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)具有一定的局限性，變形主要集中于船體直接受爆面局部區(qū)域，因此，迎爆面測(cè)點(diǎn)布設(shè)的密度應(yīng)比背爆面測(cè)點(diǎn)布設(shè)的密集程度大，迎爆面布設(shè)測(cè)點(diǎn)可增加一倍。

在龍骨處的內(nèi)底板上，沿艏艉方向，按8等分，在等分線上布置測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別測(cè)量縱向和橫向應(yīng)變。

2）沖擊加速度測(cè)點(diǎn)布設(shè)：沖擊加速度反映水面艦船結(jié)構(gòu)的沖擊環(huán)境，從表2和圖2可知，船體結(jié)構(gòu)各層平臺(tái)所承受的沖擊響應(yīng)隨著層次的提高，一層比一層??；而距船艏1／4、1／2、3／4船長(zhǎng)位置的橫剖面是載荷較大部位，因此，沿艏艉方向，在距船艏1／4、1／2、3／4船長(zhǎng)位置，從底艙到上甲板自下而上沿垂直分層布置加速度測(cè)點(diǎn)，左右兩側(cè)對(duì)稱布設(shè)，共24個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別測(cè)垂向和橫向的加速度。布設(shè)在船體結(jié)構(gòu)下層的傳感器量程大，布設(shè)在船體結(jié)構(gòu)上層的傳感器量程小。

在駕駛室從底艙到指揮臺(tái)垂直分層布置，將加速度傳感器安裝在艙室中部，安裝方向以垂向?yàn)橹鳌?/p>

在主甲板中線上，沿艏艉方向，將船體縱向長(zhǎng)度劃分8等分，在等分線上布置加速度傳感器。

在龍骨處的內(nèi)底板上，按8等分，沿艏艉方向，在等分線上布置加速度傳感器，傳感器沿垂向安裝。

典型船體結(jié)構(gòu)毀傷測(cè)點(diǎn)布置如圖10所示，圖中X0～X4分別是縱向8等分處，Z1～Z4分別是垂向4等分處。

圖10 典型船體結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)布置剖視圖

4 結(jié)束語(yǔ)

水下爆炸作用下船體結(jié)構(gòu)毀傷測(cè)量的準(zhǔn)確可靠是關(guān)系水中兵器毀傷能力和作戰(zhàn)效能客觀評(píng)價(jià)的關(guān)鍵內(nèi)容，采用數(shù)值仿真的方法，獲得水下近場(chǎng)爆炸船體結(jié)構(gòu)毀傷效果，分析船體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行合理的測(cè)點(diǎn)布設(shè)，從而通過(guò)最少的測(cè)點(diǎn)來(lái)達(dá)到毀傷測(cè)量的目的。本文提出的方法在某艦縮比模型水下爆炸試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證，在有效考核艦船模型結(jié)構(gòu)毀傷的同時(shí)，減少測(cè)點(diǎn)布設(shè)，提高了試驗(yàn)效率，可用于指導(dǎo)水下爆炸毀傷試驗(yàn)測(cè)量方案設(shè)計(jì)。

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Measuring Point Layout Method for Warship Structure Damage Based on Numerical Simulations

Li Chen，Song Jingli，Shen Xiaole

（Naval Forces Unit 91439，Dalian 116041，China）

In order to measure effectively the damage of warship structure in UNDEX，and optimized measuring point layout，the typical warship finite element model is established.By using the acoustic－structure coupling method embedded in the large finite element analysis software ABAQUS，it was simulated that the impulsion response of the warship structure subjected to the explosion loading.Analyzed the warships weakness and acted the weakness as the major measure position which based on the simulation results，combined with the sea test experience and engineering practice，reasonably set sensor station meanwhile objectively measured structure damage，it was put forward that measuring point layout method for warship structure damage in UNDEX.The result of offshore explosion test verified that the coincidence numerical simulations with test value is good，the design of measuring point layout method is rational.

underwater explosion；numerical simulations；warship structure damage；measuring point layout

1671-4598（2016）08-0290-04

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.079

：TN713

：A

2016-03-08；

：2016-03-26。

李 ?。?972-），女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事水下爆炸試驗(yàn)測(cè)量與數(shù)據(jù)處理方向的研究。