水下爆炸作用下船用加筋板動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分析

任 鵬,周 瀟,周佳琪

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212003)

軍用艦船作為一種水上作戰(zhàn)設(shè)施,極易遭受魚雷、水雷等各種水下武器的爆炸沖擊．在水下爆炸載荷的作用下,艦船的結(jié)構(gòu)極易發(fā)生變形甚至破壞失效,從而失去作戰(zhàn)能力．因此，艦艇的抗爆性能對(duì)提高艦船的防護(hù)能力具有重要意義．在爆炸沖擊作用下,船體外板將首先承受其載荷作用,而為了保證艦船操縱的靈活性以及航行速度,船體重量不能過大,所以板材不能過厚．因此在艦船設(shè)計(jì)制造過程中,在不增加板材重量的前提下，提高其抗爆性能成為一個(gè)難題．工程上一般采用在板材表面焊接鋼筋(加筋板)來保證軍用艦船的抗爆性能．大量學(xué)者對(duì)船用加筋板在水下爆炸載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了研究,并與普通鋼板的抗爆性能進(jìn)行對(duì)比[1]．研究表明,加筋板相對(duì)普通鋼板抗沖擊性能更加優(yōu)良,同時(shí)動(dòng)態(tài)沖擊載荷作用下船用加筋板的塑性變形也得到了諸多解決方案[2-4]．文獻(xiàn)[5]中提出了典型加筋板拉伸疲勞試件的設(shè)計(jì)方案,并對(duì)該加筋板進(jìn)行了拉伸疲勞試驗(yàn)．該方案經(jīng)過驗(yàn)證表明了在船用加筋板的拉伸疲勞實(shí)驗(yàn)中使用的準(zhǔn)確性,達(dá)到了該試驗(yàn)的預(yù)期目標(biāo),為將來更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)提供了良好的技術(shù)支撐．文獻(xiàn)[6]中通過一系列的拉伸實(shí)驗(yàn)得到了不同長寬比的低碳鋼的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線,發(fā)現(xiàn)試件的尺寸對(duì)真實(shí)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系沒有影響．文獻(xiàn)[7]中對(duì)船用加筋板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步研究,提供了加筋板計(jì)算以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案．文獻(xiàn)[8-9]中利用有限元軟件對(duì)水下爆炸作用下艦船結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了分析.文中使用有限元軟件LS-DYNA,對(duì)水下爆炸載荷作用下的加筋板進(jìn)行數(shù)值仿真研究,分析了加筋板在水下爆炸載荷作用下變形以及能量吸收的方式,同時(shí)探討不同加筋形式以及加筋板整體結(jié)構(gòu)的變化對(duì)抗爆性能的影響,實(shí)現(xiàn)加筋板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)．

1 有限元模型

在文中的仿真計(jì)算中,考慮計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度等因素,建立四分之一對(duì)稱模型．水域及炸藥使用Null Gruneisem材料模型．水域尺寸為9 cm×9 cm×110 cm．爆炸距離為100 cm．水和炸藥均使用1mm網(wǎng)格尺寸．分別研究井字形、十字形、一字形以及井字形雙層底加筋板在爆炸沖擊下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)．其中單層加筋板底板尺寸為10 cm×10 cm×0.3 cm,雙層加筋板上下板尺寸均為10 cm×10 cm×0.15 cm,井字形加筋板加強(qiáng)筋尺寸為10 cm×0.2 cm×1 cm,十字形、一字形以及井字形雙層底為10 cm×0.4 cm×1 cm．加筋板均使用Johnson-Cook材料模型,板的面內(nèi)網(wǎng)格尺寸為0.2 cm．4種類型加筋板的總質(zhì)量相同,有限元模型如圖1．

圖1 加筋板模型示意

建模過程中對(duì)加筋板延伸出水域部分施加固定約束,在水域模型邊界處設(shè)置非反射邊界條件．通過關(guān)鍵字*CONSTRAINED-LAGRANGE-IN-SOLID來定義流固耦合．

2 數(shù)值仿真結(jié)果及分析

2.1 水下爆炸沖擊波的傳遞規(guī)律

文中所用炸藥密度為1.63 g/cm3,計(jì)算3種工況,炸藥當(dāng)量分別為560、700、840 g．炸藥在水下爆炸后,在水中形成壓力波向外傳播,同時(shí)爆炸產(chǎn)物中還會(huì)形成反射稀疏波．沖擊波在水中的傳播速度與聲音在水中傳播速度大致相同．炸藥沖擊波傳播如圖2．

圖2 爆炸沖擊波傳播

圖3 爆炸沖擊波參考點(diǎn)及壓力曲線

Cole通過系統(tǒng)的研究水下爆炸產(chǎn)生沖擊波的過程總結(jié)出了爆炸沖擊波的相似規(guī)律,得到經(jīng)驗(yàn)公式：

(1)

(2)

式中：Pm為水中沖擊波波面峰值壓力；W為炸藥當(dāng)量;I為比沖量；R為到爆炸中心的距離;k、l、α、β為實(shí)驗(yàn)系數(shù)．對(duì)于文中使用的炸藥,k=52.4,l=5 800,α=1.13,β=0.89．通過經(jīng)驗(yàn)公式可以計(jì)算出文中使用不同質(zhì)量炸藥所產(chǎn)生的沖量分別為4 215、4 851、5 442 Pa·s．

在沖擊波傳播過程中選取A、B、C3個(gè)參考點(diǎn)，分析各參考點(diǎn)壓力變化如圖3．從各參考點(diǎn)壓力曲線圖可見,隨著沖擊波在水中不斷傳播,其壓力峰值呈指數(shù)型衰減,并且各點(diǎn)的壓力曲線亦呈指數(shù)型衰減．這一規(guī)律與Cole所得的經(jīng)驗(yàn)公式相吻合,驗(yàn)證了此次仿真的準(zhǔn)確性與可靠性．目前關(guān)于水下爆炸點(diǎn)附近的沖擊波的相關(guān)研究尚未全面,主要由于爆炸中心附近的波面壓力很難通過器材檢測．

2.2 井字形加筋板受爆炸沖擊下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

在模型上選取5個(gè)觀察點(diǎn)來研究位移及應(yīng)變等數(shù)值結(jié)果,觀察點(diǎn)選取如圖4．圖(a)中各參考點(diǎn)與中心點(diǎn)距離分別為A:0,B:2 cm,C:4 cm,D:6 cm,E:8 cm．圖(b)中參考點(diǎn)為對(duì)角線5等分部分的5個(gè)端點(diǎn)．

圖4 參考點(diǎn)示意

選取沖擊波沖量為4 215 Pa·s的工況作分析,圖5為井字形加筋板的應(yīng)變?cè)茍D．由圖可見：在爆炸時(shí)間t=600 μs時(shí),沖擊波作用于加筋板,板上的加強(qiáng)筋首先產(chǎn)生應(yīng)變．并且隨著沖擊波完全作用于加筋板上后,出現(xiàn)最大應(yīng)變的區(qū)域集中于加強(qiáng)筋所在的位置．這說明加筋板在爆炸沖擊波作用下相對(duì)于普通的單層鋼板具有更強(qiáng)抵抗變形及吸收能量的能力．

圖5 井字形加筋板應(yīng)變?cè)茍D

圖6為加筋板上所取參考點(diǎn)的位移d曲線．由單邊參考點(diǎn)位移曲線圖可知：沖擊波在250 μs左右到達(dá)加筋板,加筋板開始發(fā)生變形；在300～400 μs時(shí)間段內(nèi),加筋板位移曲線出現(xiàn)震蕩；結(jié)合加筋板結(jié)構(gòu)可知,其位移的震蕩是由于板上的加強(qiáng)筋在參與抵抗爆炸沖擊載荷,由此可說明加筋板在爆炸沖擊載荷作用下相對(duì)于普通的薄板具有更強(qiáng)抵抗變形的能力．同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),距離爆炸點(diǎn)越遠(yuǎn),加筋板變形越?。?/p>

圖6 各參考點(diǎn)位移

與單邊參考點(diǎn)位移曲線圖作比較,可以發(fā)現(xiàn),在相同工況下,對(duì)角線參考曲線圖上各點(diǎn)(除A點(diǎn)以外)位移均小于單邊參考曲線圖上的參考點(diǎn)的位移．這是由于單邊上的各參考點(diǎn)在結(jié)構(gòu)上只有單根加強(qiáng)筋,而對(duì)角線上的參考點(diǎn)結(jié)構(gòu)上有更多的加強(qiáng)筋交叉,加強(qiáng)筋密度較單邊上的參考點(diǎn)更大,可以推斷出,加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)越密集,加筋板變形越小,抗沖擊性能越好．

2.3 其余3種結(jié)構(gòu)加筋板受爆炸沖擊下動(dòng)態(tài)響應(yīng)

通過研究井字形加筋板在爆炸沖擊下的動(dòng)態(tài)響應(yīng),可以分析出其余3種結(jié)構(gòu)的加筋板的動(dòng)態(tài)響應(yīng)．同樣選取沖擊波沖量為4 215 Pa·s的工況,十字形、一字形以及井字形雙層底加筋結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊下的應(yīng)變?cè)茍D(圖7)．

結(jié)合圖6可以發(fā)現(xiàn):相比單層加筋板,加筋板雙層結(jié)構(gòu)最大應(yīng)變的區(qū)域明顯更小．由此可知,在質(zhì)量保持不變的情況下,雙層結(jié)構(gòu)加筋板能有效地提高加筋板整體結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能,其中心位置處的變形可有效減少．

許多企業(yè)將生產(chǎn)用的廠房布置于農(nóng)村地區(qū)，這些廠房的所排放的二氧化硫、二氧化碳、煙塵、粉塵往往超出國家標(biāo)準(zhǔn)許多。而在農(nóng)村常見的秸稈燃燒也會(huì)產(chǎn)生大量煙塵以及污染氣體，且此類空氣污染往往具有季節(jié)性的特征。綜合上述兩點(diǎn)來看，是目前農(nóng)村大氣污染的主要因素。

圖7 3種結(jié)構(gòu)在1 500 μs時(shí)的應(yīng)變?cè)茍D

2.4 不同結(jié)構(gòu)加筋板的抗爆性分析

2.4.1 不同結(jié)構(gòu)加筋板薄弱位置確定

為了更為深入研究加筋結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特點(diǎn),引入抗沖擊參數(shù)K,表示同一加筋板上不同部位的相對(duì)強(qiáng)度．K值越大則該部位強(qiáng)度越弱,由此找出加筋板結(jié)構(gòu)上的受爆炸沖擊影響最大的點(diǎn),即板上的薄弱點(diǎn)．通過對(duì)比不同加筋板薄弱處受爆炸沖擊作用產(chǎn)生的變形、速度和應(yīng)變等參數(shù),從而確定能量吸收和抵抗變形能力最優(yōu)秀的加筋板型式,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)．

采用圖4(a)中的單邊參考點(diǎn)來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析．通過仿真求得:當(dāng)沖量分別為4 215,4 851,5 442 Pa·s時(shí),各參考點(diǎn)在這3種沖擊波作用下的最大位移如圖8．并且擬合出參考點(diǎn)最大位移d和沖量I之間的關(guān)系曲線．

圖8 井字形加筋板參考點(diǎn)最大位移與沖量關(guān)系

由圖8可得到參考點(diǎn)最大位移和沖量之間的關(guān)系,整理可得井字形加筋板上各參考點(diǎn)的K1值．用同樣的方法可以分別測得十字形、一字形以及井字形加筋板雙層底結(jié)構(gòu)參考點(diǎn)K2,K3,K4值,如表1．

表1 各類加筋板K值表

由以上表格可確定各加筋板結(jié)構(gòu)參數(shù)K與參考點(diǎn)距中心距離D關(guān)系(圖9)．分析圖9可知,參考點(diǎn)距中心點(diǎn)距離越近K值越大,爆炸沖擊波對(duì)其造成的影響也越大．故在對(duì)比不同結(jié)構(gòu)加筋板的抗爆性能時(shí),文中將選取加筋板中心位置作為參考點(diǎn)在相同炸藥當(dāng)量下進(jìn)行比較．同時(shí)從圖9可得,在相同面密度條件下,井字形加筋雙層結(jié)構(gòu)板的抗沖擊性能是最佳的,相對(duì)于其他3種結(jié)構(gòu),其抗沖擊性能提高了30.15%

圖9 K值與參考點(diǎn)距中心點(diǎn)距離關(guān)系

2.4.2 薄弱位置位移d和變形速度v比較

擬選取840 g當(dāng)量炸藥作為試驗(yàn)工況,對(duì)比分析不同結(jié)構(gòu)加筋板中心位置處的位移和變形速度．各加筋板中心位置處位移曲線如圖10．

圖10為不同結(jié)構(gòu)類型的加筋板在相同加載工況下中心位置處的位移曲線．由圖可見,沖擊波在500 μs時(shí)開始對(duì)加筋板進(jìn)行加載,隨著沖擊波的不斷作用,600～700 μs時(shí),板的中心位置處位移出現(xiàn)明顯震蕩．相較于單層結(jié)構(gòu),雙層結(jié)構(gòu)的加筋板位移上下波動(dòng)幅度更大但位移量較小,抵抗變形的能力更強(qiáng)．表2為不同結(jié)構(gòu)中心位置的最大位移,由表可見,井字形、十字形及一字形加筋板結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊作用下,中心位置產(chǎn)生的最大位移基本相同,而雙層井字形加筋板最大變形量明顯更?。Y(jié)合上文加筋板應(yīng)變?cè)茍D的分析可知,在底板總厚度不變的情況下,將單層底改為雙層底使得結(jié)構(gòu)整體的抗沖擊性能得到了明顯的優(yōu)化．

圖10 加筋板中心位置位移曲線圖

表2 加筋板最大位移表

圖11 加筋板速度變化曲線

圖11為不同結(jié)構(gòu)加筋板在相同試驗(yàn)工況下中心位置處速度變化曲線．可以發(fā)現(xiàn),單層結(jié)構(gòu)加筋板變形速度趨勢基本一致,而雙層結(jié)構(gòu)加筋板速度變化頻率更大．由表3可以看出，雙層結(jié)構(gòu)加筋板的最大變形速度相對(duì)較?。纱丝梢酝茢?雙層結(jié)構(gòu)加筋板相較于單層結(jié)構(gòu),彈性變形所占比重較大,具有更加出色的抗沖擊性能,這與文中的結(jié)論相符．

表3 加筋板最大速度表

2.5 井字形夾筋板雙層結(jié)構(gòu)位移曲線情況分析

以840 g當(dāng)量炸藥作為試驗(yàn)工況,選取單邊參考點(diǎn),分析井字形加筋板雙層結(jié)構(gòu)各參考點(diǎn)變形曲線,如圖12．

圖12 井字形加筋板雙層結(jié)構(gòu)各參考點(diǎn)變形曲線

結(jié)合井字形單層加筋板變形曲線,可以看出,加筋板靠近中心距離越近,變形量越大,即中心加筋區(qū)域是吸收能量和抵抗變形的主要部分．然而,在單層加筋板變形曲線中,結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)處位移和距離中心點(diǎn)20 mm處位移差距較大,而雙層加筋板變形曲線中結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)處位移和距離中心點(diǎn)20 mm處位移幾乎一致,這表明了雙層加筋板結(jié)構(gòu)整體性能得到了優(yōu)化,在爆炸沖擊波作用下能夠更好的調(diào)動(dòng)整體構(gòu)架來抵抗沖擊變形,具有更強(qiáng)的抵抗變形的能力．

3 結(jié)論

(1) 加筋板的肋板結(jié)構(gòu)類型對(duì)結(jié)構(gòu)整體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間沒有影響,但會(huì)改變加筋板的變形響應(yīng)速度及塑形變形的幅值．

(2) 比較發(fā)現(xiàn),在相同面密度條件下,雙層底加筋結(jié)構(gòu)可有效提升結(jié)構(gòu)整體的抗爆防護(hù)性能,其防護(hù)性能相對(duì)于單層底加筋結(jié)構(gòu)提高了30.15%．

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