水下爆炸沖擊平臺(tái)數(shù)值仿真設(shè)計(jì)研究

， ，

(1.中國(guó)人民解放軍 91388部隊(duì)，廣東 湛江 524000；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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116041)

0 引言

隨著水中兵器戰(zhàn)斗部爆炸威力不斷提高，艦船以及艦船承載的爆炸測(cè)量設(shè)備在水下爆炸試驗(yàn)中面臨更為嚴(yán)重的沖擊安全問(wèn)題。為確保爆炸試驗(yàn)中艦船和測(cè)量設(shè)備的安全，目前通常采用的方法是對(duì)艦船進(jìn)行沖擊防護(hù)加(改)裝。艦船沖擊防護(hù)加(改)裝實(shí)施難度大、成本高、周期長(zhǎng)，不易實(shí)現(xiàn)，因此，設(shè)計(jì)研制可重復(fù)使用的水下爆炸沖擊平臺(tái)替代艦船，用以承載測(cè)量設(shè)備并為測(cè)量設(shè)備提供可靠的沖擊防護(hù)，對(duì)水下爆炸試驗(yàn)的安全實(shí)施和武器裝備試驗(yàn)鑒定技術(shù)的提高具有重要意義。

水下爆炸沖擊平臺(tái)設(shè)計(jì)包括船體結(jié)構(gòu)抗沖擊設(shè)計(jì)和測(cè)量設(shè)備抗沖擊設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容，通過(guò)分析計(jì)算水下非接觸爆炸載荷作用下平臺(tái)沖擊響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)，隨著ABAQUS、LS-DYNA、MSC/DYTRAN等多種大型有限元?jiǎng)恿Ψ治鲕浖钠占?，有限元仿真成為?jì)算艦船沖擊響應(yīng)的切實(shí)可行的方法[1]。水下爆炸沖擊平臺(tái)承載設(shè)備在水下爆炸條件下的沖擊輸入具有非均勻性，因此，對(duì)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行抗沖擊分析時(shí)必須采用設(shè)備與船體一體化抗沖擊分析技術(shù)[2]。本文采用數(shù)值仿真設(shè)計(jì)方法，依據(jù)平臺(tái)抗沖隔振性能指標(biāo)要求，首先設(shè)計(jì)了兩種船體結(jié)構(gòu)；其次，建立有限元模型，運(yùn)用有限元軟件ABQUS，計(jì)算船體結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)并進(jìn)行隔振器初步選型和隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)安裝隔振系統(tǒng)前后平臺(tái)在爆炸載荷作用下的沖擊響應(yīng)進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)比采用不同船體結(jié)構(gòu)的平臺(tái)抗沖隔振效果；最后，采用優(yōu)化的船體結(jié)構(gòu)和隔振系統(tǒng)建造平臺(tái)，并通過(guò)水下爆炸試驗(yàn)進(jìn)行平臺(tái)性能驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

水下爆炸沖擊平臺(tái)主要由雙體結(jié)構(gòu)鋼質(zhì)船體和隔振系統(tǒng)組成。

水下爆炸沖擊平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 水下爆炸沖擊平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.1 雙體結(jié)構(gòu)鋼質(zhì)船體

雙體結(jié)構(gòu)鋼質(zhì)船體用于承載測(cè)量設(shè)備和隔振系統(tǒng)，采用寬大式側(cè)片體雙體船，左右片體艙室、結(jié)構(gòu)均對(duì)稱(chēng)布置。連接橋結(jié)構(gòu)貫通艏艉，上表面與主甲板平齊，采用箱型梁結(jié)構(gòu)形式，中間設(shè)有一道縱向艙壁。片體為滑行艇形式、平底，內(nèi)舷為垂向直壁形式。甲板上方設(shè)有階梯狀舷墻、欄桿；在測(cè)量設(shè)備周?chē)O(shè)置防浪裝置；主甲板上配備緩沖固定接口，用于安裝隔振系統(tǒng)。

水下爆炸沖擊平臺(tái)基于雙體船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要考慮雙體船結(jié)構(gòu)具有良好的初穩(wěn)性、耐波性和抗沉性，便于在海上實(shí)爆試驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中布放和拖帶。

1.1.2 隔振系統(tǒng)

隔振系統(tǒng)用于測(cè)量設(shè)備沖擊防護(hù)，由鋼制試驗(yàn)平臺(tái)和隔振器組成，隔振器與雙體船甲板相連；隔振系統(tǒng)安裝于雙體結(jié)構(gòu)船體主甲板上，具有沖擊加速度垂向和橫向緩沖能力。

使用隔振器是艦載設(shè)備抗沖擊防護(hù)的常用方法，隔振器剛度的選取和隔振器選型是否科學(xué)合理直接關(guān)系到隔振系統(tǒng)緩沖效率?；谠O(shè)備沖擊輸入譜轉(zhuǎn)換法的時(shí)域計(jì)算法廣泛應(yīng)用于設(shè)備抗沖擊防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[3]依據(jù)GJB1060.1-91標(biāo)準(zhǔn)和德國(guó)BV0430標(biāo)準(zhǔn)[4-5]，將水下爆炸載荷簡(jiǎn)化為三角形變化歷程，根據(jù)設(shè)備沖擊響應(yīng)譜和防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)研制的緩沖平臺(tái)緩沖效率可達(dá)90%。由于水下爆炸載荷響應(yīng)曲線(xiàn)的復(fù)雜性，采用數(shù)值仿真計(jì)算與水下爆炸試驗(yàn)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能有效提高隔振系統(tǒng)的緩沖效率。

本文采用數(shù)值仿真軟件，對(duì)沒(méi)有安裝隔振系統(tǒng)的雙體船船體結(jié)構(gòu)沖擊加速度響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)測(cè)量設(shè)備重量和體積，設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺(tái)面積為2.0 m×1.5 m、重1 000 kg(含測(cè)量設(shè)備重量)；依據(jù)水下爆炸試驗(yàn)工況和測(cè)量設(shè)備抗沖擊性能要求，初步確定采用8個(gè)非線(xiàn)性隔振器，非線(xiàn)性隔振器三個(gè)方向剛度為0.1 kN/mm，沿試驗(yàn)平臺(tái)周向均勻分布。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

采用數(shù)值仿真設(shè)計(jì)方法，依據(jù)平臺(tái)抗沖隔振性能指標(biāo)要求，進(jìn)行水下爆炸沖擊平臺(tái)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)步驟如下。

Step1：設(shè)計(jì)兩種船體結(jié)構(gòu)。

雙體船結(jié)構(gòu)模型1：雙體船水線(xiàn)以下船體板厚度為8 mm，水線(xiàn)以上船體板厚度為5 mm；

雙體船結(jié)構(gòu)模型2：雙體船水線(xiàn)以下船體板厚度為10 mm，水線(xiàn)以上船體板厚度為8 mm。肋位增加1倍，采用T型材；船底中線(xiàn)兩側(cè)分別增加一條船底縱骨，和原船底縱骨都延伸到水線(xiàn)面。

Step2：建立有限元模型，運(yùn)用數(shù)值仿真軟件，對(duì)兩種船體結(jié)構(gòu)在水下爆炸載荷作用下的應(yīng)變應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)比船體毀傷情況，選用優(yōu)化的船體結(jié)構(gòu)作為平臺(tái)結(jié)構(gòu)。

Step3：對(duì)安裝隔振系統(tǒng)后平臺(tái)在水下爆炸載荷作用下的沖擊響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，通過(guò)模擬結(jié)果判斷平臺(tái)的垂向加速度峰值衰減率是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，檢驗(yàn)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

Step4：采用優(yōu)化的船體結(jié)構(gòu)和隔振系統(tǒng)建造平臺(tái)，并通過(guò)水下爆炸試驗(yàn)進(jìn)行平臺(tái)性能驗(yàn)證。

2 仿真模型建立

2.1 有限元模型

采用ABAQUS中的聲-固耦合方法模擬平臺(tái)水下爆炸，在進(jìn)行艦船水下爆炸數(shù)值計(jì)算的過(guò)程中，建立精確的有限元模型很重要，有限元模型的精確與否直接影響分析結(jié)果。

取雙體船長(zhǎng)度為1，則寬度為0.35、型深0.14、吃水0.075。建立水下爆炸沖擊平臺(tái)模型，導(dǎo)入有限元軟件后進(jìn)行分析計(jì)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(zhǎng)0.016，最大網(wǎng)格邊長(zhǎng)0.17。外板和水密艙壁總單元數(shù)為17244個(gè)，其中四邊形單元16727個(gè)，三角形單元517個(gè)。船體梁由0.1線(xiàn)網(wǎng)格劃分，線(xiàn)單元8106個(gè)。水域半徑取船體半寬(型寬一半)的六倍1.05，水域中間為長(zhǎng)1.14，半徑1.05的圓柱，兩邊為半徑1.05的四分之一球。將流場(chǎng)底面邊界設(shè)為無(wú)反射邊界條件[6],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1704116，單元類(lèi)型為聲學(xué)四面體單元。

外板模型和水密艙壁模型如圖2～3所示。

圖2 外板模型 圖3 水密艙壁模型

2.2 材料屬性設(shè)置

建立有限元網(wǎng)格實(shí)體模型，并對(duì)模型添加材料屬性及約束條件：雙體船材料選用Q235鋼，楊氏模量為2.1×1011N/m，泊松比為0.3，密度為7.85×103kg/m3，塑性屬性中屈服應(yīng)力為2.35×108Pa時(shí)塑性應(yīng)變?yōu)?；屈服應(yīng)力為3.5×108Pa時(shí)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(jì)算工況設(shè)置

仿真計(jì)算工況如表1所示。

表1 數(shù)值仿真工況

對(duì)比兩種雙體船結(jié)構(gòu)在水下爆炸作用下的應(yīng)變應(yīng)力響應(yīng)，檢驗(yàn)船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的合理性；對(duì)比隔振器船上節(jié)點(diǎn)和平臺(tái)節(jié)點(diǎn)輸出的垂向加速度峰值，計(jì)算衰減率，檢驗(yàn)隔振系統(tǒng)的隔振效果。

3 仿真試驗(yàn)結(jié)果

3.1 船底單元應(yīng)變響應(yīng)數(shù)值計(jì)算

對(duì)比數(shù)值仿真工況1、2船底單元應(yīng)變計(jì)算結(jié)果，工況1船體結(jié)構(gòu)變形相對(duì)較大，本文主要針對(duì)工況1條件下平臺(tái)船體結(jié)構(gòu)應(yīng)變響應(yīng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1.1 雙體船結(jié)構(gòu)模型1船底單元應(yīng)變響應(yīng)計(jì)算

船底單元應(yīng)變峰值為6.7×10-3ε，應(yīng)變?cè)茍D如圖4所示。

圖4 雙體船結(jié)構(gòu)模型1船底單元應(yīng)變?cè)茍D

3.1.2 雙體船結(jié)構(gòu)模型2船底單元應(yīng)變響應(yīng)計(jì)算

船底單元塑性應(yīng)變峰值為0.9×10-3ε，應(yīng)變?cè)茍D如圖5所示。

圖5 雙體船結(jié)構(gòu)模型2船底單元應(yīng)變?cè)茍D

3.1.3 采用兩種雙體船結(jié)構(gòu)模型，對(duì)船底某一單元應(yīng)變的數(shù)值仿真計(jì)算

采用雙體船結(jié)構(gòu)模型1，船底某一單元塑性應(yīng)變峰值為2.25×10-3ε；采用雙體船結(jié)構(gòu)模型2，船底同一單元無(wú)塑性應(yīng)變。應(yīng)變?cè)茍D如圖6～7所示。

圖6 雙體船結(jié)構(gòu)模型1應(yīng)變?cè)茍D

圖7 雙體船結(jié)構(gòu)模型2應(yīng)變?cè)茍D

3.1.4 船底應(yīng)變響應(yīng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

從船底單元應(yīng)變數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以看出：

①采用雙體船結(jié)構(gòu)模型1，最大塑性應(yīng)變6.7毫應(yīng)變，全船多處出現(xiàn)塑性應(yīng)變；

②采用雙體船結(jié)構(gòu)模型2，最大塑性應(yīng)變0.9毫應(yīng)變；

③采用雙體船結(jié)構(gòu)模型1，船底某一單元應(yīng)變?yōu)?.25毫應(yīng)變；采用雙體船結(jié)構(gòu)模型2，船底同一單元無(wú)塑性變形。

雙體船結(jié)構(gòu)模型2大量采用加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)，船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度比模型1的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，在水下爆炸載荷作用下，船體結(jié)構(gòu)塑性變形小。

3.2 隔振前后測(cè)量設(shè)備沖擊響應(yīng)數(shù)值計(jì)算

平臺(tái)沖擊響應(yīng)在各個(gè)部位是不同的，對(duì)于水下爆炸沖擊平臺(tái)來(lái)說(shuō)，垂向位移、加速度是主要的。

3.2.1 隔振后垂向位移數(shù)值計(jì)算

工況3、4條件下，隔振后隔振器基座與隔振器上設(shè)備垂向位移數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖8～9所示。

圖8 工況3垂向位移

圖9 工況4垂向位移

3.2.2 隔振前后垂向加速度數(shù)值計(jì)算

工況3、4條件下，隔振前后垂向加速度數(shù)值計(jì)算結(jié)果為：

工況3平臺(tái)隔振前加速度峰值為2.09×104m/s2，隔振后加速度峰值為5.94×101m/s2；工況4隔振前加速度峰值為2.31×104m/s2，隔振后加速度峰值為6.52×101m/s2。

3.3 仿真試驗(yàn)結(jié)論

從仿真試驗(yàn)結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

1)在相同爆炸試驗(yàn)工況下，雙體船船體結(jié)構(gòu)采用模型2，船體結(jié)構(gòu)的最大塑性變形小，考慮到鋼具有沖擊加強(qiáng)化的特性(沖擊后強(qiáng)度增強(qiáng))，雙體船結(jié)構(gòu)模型2滿(mǎn)足平臺(tái)的抗沖設(shè)計(jì)要求；

2)水下爆炸沖擊平臺(tái)隔振器基座與隔振器上設(shè)備垂向位移不超過(guò)3 mm，垂向加速度峰值衰減率超過(guò)95%，符合平臺(tái)的隔振設(shè)計(jì)要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 水下爆炸試驗(yàn)

按照數(shù)值仿真設(shè)計(jì)方案研制了雙體船水下爆炸沖擊平臺(tái)；基于水下爆炸相似原理，設(shè)置了1 kg RDX炸藥在水下3.7 m、距船艉水平距離分別為4.0 m和2.0 m兩個(gè)爆炸試驗(yàn)工況。在迎爆面左右2個(gè)隔振器基礎(chǔ)及對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)平臺(tái)頂部位置、背爆面右側(cè)隔振器基礎(chǔ)及對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)平臺(tái)頂部位置共布設(shè)6個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量雙體船船體和試驗(yàn)平臺(tái)上測(cè)點(diǎn)垂向加速度峰值并計(jì)算衰減率；檢查雙體船船體結(jié)構(gòu)變形情況。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

隔振前后迎爆面右側(cè)測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)程曲線(xiàn)如圖10～11所示。

圖10 隔振前加速度時(shí)程曲線(xiàn)圖

圖11 隔振后垂向加速度時(shí)程曲線(xiàn)圖

爆炸試驗(yàn)結(jié)果為雙體船船體結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)明顯變形，平臺(tái)垂向加速度峰值衰減率為95%，爆炸試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證有限元模型建立準(zhǔn)確，平臺(tái)結(jié)構(gòu)和隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)水下爆炸沖擊平臺(tái)在水下爆炸載荷作用下的沖擊響應(yīng)數(shù)值仿真計(jì)算和水下爆炸試驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

1)采用數(shù)值仿真計(jì)算和水下爆炸試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合設(shè)計(jì)水下爆炸沖擊平臺(tái)的方法是合理可行的，水下爆炸載荷作用下平臺(tái)沖擊響應(yīng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值吻合良好；

2)水下爆炸沖擊平臺(tái)結(jié)構(gòu)和隔振系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法正確，平臺(tái)抗沖隔振效果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)研制要求。

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