艦船水密門(mén)設(shè)備抗沖擊性能對(duì)比研究?

劉文思 王 鑫

（91439部隊(duì) 大連 116041）

1 引言

設(shè)備按其對(duì)艦船作戰(zhàn)和安全的重要性不同，抗沖擊等級(jí)分為A級(jí)和B級(jí)。其中B級(jí)設(shè)備是指對(duì)艦船連續(xù)作戰(zhàn)和安全不是必需的設(shè)備［1］。這種設(shè)備應(yīng)能承受沖擊而不引起設(shè)備或設(shè)備外部結(jié)構(gòu)脫開(kāi)或產(chǎn)生任何危害，安裝在同一緩沖平臺(tái)上的所有設(shè)備均應(yīng)計(jì)算位移量，保證系統(tǒng)設(shè)備與船體結(jié)構(gòu)及其之間不會(huì)發(fā)生碰撞。

設(shè)備的抗沖擊設(shè)計(jì)經(jīng)歷了靜態(tài)等效法、動(dòng)力設(shè)計(jì)分析方法和實(shí)時(shí)模擬法3個(gè)階段［2～3］，由于前兩種方法在考核設(shè)備的高頻破壞和非線性破壞時(shí)的局限性，目前實(shí)時(shí)模擬法已逐漸成為發(fā)展的趨勢(shì)，因此采用實(shí)時(shí)模擬法分析水下爆炸沖擊作用下水密門(mén)設(shè)備響應(yīng)，參考前聯(lián)邦德國(guó)國(guó)防軍艦建造規(guī)范BV043/85中不同安裝部位采用的沖擊環(huán)境數(shù)據(jù)，將沖擊反應(yīng)譜轉(zhuǎn)換到正負(fù)三角波載荷，實(shí)現(xiàn)從頻域到時(shí)域上的轉(zhuǎn)化，加載該載荷考核艦船設(shè)備抗沖擊性能。

2 水密門(mén)設(shè)備三維模型建立

對(duì)水密門(mén)圖紙進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，不難發(fā)現(xiàn)主要承載結(jié)構(gòu)為沖擊直接作用的門(mén)板，易損結(jié)構(gòu)為承擔(dān)門(mén)板與艙壁聯(lián)接的夾頭構(gòu)件，其他桿件不直接遭受載荷作用，且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大于夾頭構(gòu)件，由于過(guò)于細(xì)小的連接零部件會(huì)影響計(jì)算效率，故只考慮門(mén)板及夾頭聯(lián)接構(gòu)件，根據(jù)門(mén)板后是否設(shè)置板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)分為兩種水密門(mén)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，分別對(duì)設(shè)置板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)和無(wú)板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水密門(mén)建立簡(jiǎn)化三維模型。

3 水密門(mén)設(shè)備有限元建模

3.1 門(mén)板

采用殼單元建立門(mén)板有限元模型，尺寸為2.197m×1.676m，四周圓角過(guò)渡R=0.2m。

3.2 夾頭構(gòu)件

夾頭構(gòu)件起到連接緊固水密門(mén)門(mén)板與剛性艙壁的作用，在水密門(mén)設(shè)備中屬連接構(gòu)件，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的初步分析判斷其為易損結(jié)構(gòu)，在水密門(mén)設(shè)備抗沖擊分析中應(yīng)予以研究。

3.3 板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)

板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)附著于門(mén)板背面，采用T型殼單元建模，厚度為8×10-3m，中心部分高度0.1m，四周邊緣高度0.05m，之間為線性過(guò)渡處理，板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)與門(mén)板共同組成水密門(mén)主體，起到連接緊固水密門(mén)門(mén)板的作用，在水密門(mén)結(jié)構(gòu)中屬加強(qiáng)構(gòu)件。

3.4 剛性艙壁

艙壁結(jié)構(gòu)是水密門(mén)設(shè)備的安裝及支撐主體，所以可將水密門(mén)連接固定的艙壁簡(jiǎn)化為剛體墻處理，認(rèn)為艙壁結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)沖擊載荷作用下保持剛性固定不發(fā)生變形。

3.5 材料

水密門(mén)材料選取剛塑性材料模型，密度7800kg/m3，彈性模量 2.1×1011Pa，泊松比 0.3，板厚8×10-3m。同時(shí)考慮應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，采用Cowp?er-Symonds強(qiáng)化模型：

式中σy，σ0分別表示動(dòng)、靜態(tài)屈服應(yīng)力。

3.6 邊界條件

由于艙壁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為剛性艙壁，因此在剛性艙壁出添加固支邊界條件；水密門(mén)門(mén)板與夾頭構(gòu)件通過(guò)螺栓連接，由于簡(jiǎn)化去掉其他桿件結(jié)構(gòu)，且沖擊載荷作用為瞬態(tài)載荷，計(jì)算中將螺栓連接簡(jiǎn)化為點(diǎn)焊連接處理；水密門(mén)門(mén)板、夾頭構(gòu)件與剛性艙壁之間設(shè)置接觸約束條件。

4 抗沖擊計(jì)算

對(duì)水密門(mén)設(shè)備有限元整體模型進(jìn)行前處理，利用 ls-dyna顯式動(dòng)力學(xué)分析程序進(jìn)行仿真計(jì)算［4～5］，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)0.05s。

4.1 載荷分析

根據(jù)聯(lián)邦德國(guó)國(guó)防軍艦建造規(guī)范，將三折線沖擊輸入譜轉(zhuǎn)化為一個(gè)正波和一個(gè)負(fù)波的組合，相應(yīng)的波形分為組合半正弦波或組合三角波，實(shí)現(xiàn)從頻域到時(shí)域上的轉(zhuǎn)化。三角形變化歷程更接近于設(shè)計(jì)沖擊譜，計(jì)算機(jī)輸入也比較方便，因此，被更多地用于設(shè)備抗沖擊的時(shí)域模擬。三角形變化歷程是由正負(fù)兩個(gè)面積相等的三角形疊加而成，三角形變化歷程如圖1所示，相關(guān)參數(shù)可按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算［6］。

圖1 三角形載荷變化歷程曲線

聯(lián)邦德國(guó)現(xiàn)行的設(shè)備沖擊標(biāo)準(zhǔn)為BV043/85，對(duì)于設(shè)備質(zhì)量小于5t的隔離系統(tǒng)，安裝在滿載排水量大于2000t的艦船時(shí)，抗沖擊指標(biāo)見(jiàn)下表1。

表1 BV043/85規(guī)范中部分沖擊環(huán)境數(shù)據(jù)（沖擊譜）［7～8］

其中，I類安裝部位指艦船外板及/或外板扶強(qiáng)材，雙層底頂板，主甲板以下隔艙壁；II類安裝部位指下甲板與主甲板，主甲板以下隔壁，主甲板以上隔艙壁；III類安裝部位指主甲板以上甲板，主甲板以上側(cè)隔壁及中間隔壁。

參考上述BV標(biāo)準(zhǔn)，按II類安裝部位選取譜加速度A0=170g，沖擊譜速度V0=6m/s，譜位移D0=0.042m進(jìn)行三角形載荷曲線參數(shù)的計(jì)算（所有參數(shù)均為國(guó)際單位制）。

表2 三角形載荷曲線參數(shù)

4.2 計(jì)算結(jié)果

4.2.1 水密門(mén)整體von-mises應(yīng)力云圖及典型部位應(yīng)力時(shí)程曲線

兩種結(jié)構(gòu)水密門(mén)門(mén)板初始及結(jié)束時(shí)刻von-mises應(yīng)力云圖及中心單元應(yīng)力時(shí)程曲線如圖4所示，無(wú)板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水密門(mén)門(mén)板中心點(diǎn)最大應(yīng)力發(fā)生在t=1.22×10-2s時(shí)刻，最大應(yīng)力368Mpa；設(shè)置板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水密門(mén)門(mén)板中心點(diǎn)最大應(yīng)力發(fā)生在t=8.5×10-3s時(shí)刻，最大應(yīng)力240Mpa。

圖2 兩種結(jié)構(gòu)水密門(mén)門(mén)板初始時(shí)刻von-mises應(yīng)力云圖

無(wú)板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水密門(mén)門(mén)板最大應(yīng)力發(fā)生在t=1.2×10-2s時(shí)刻，最大應(yīng)力535Mpa；設(shè)置板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水密門(mén)門(mén)板最大應(yīng)力發(fā)生在t=4.40×10-3s時(shí)刻，最大應(yīng)力520Mpa。無(wú)板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水密門(mén)夾頭最大應(yīng)力發(fā)生在t=3.39×10-2s時(shí)刻，最大應(yīng)力501Mpa；設(shè)置板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水密門(mén)夾頭最大應(yīng)力發(fā)生在t=4.0e-3s時(shí)刻，最大應(yīng)力485Mpa。

將最大峰值應(yīng)力大于300Mpa的單元高亮顯示，可以觀察到均為夾頭構(gòu)件及與夾頭構(gòu)件聯(lián)接的門(mén)板單元，且位于長(zhǎng)邊處的夾頭構(gòu)件單元最大應(yīng)力大于短邊處的夾頭構(gòu)件單元最大應(yīng)力，長(zhǎng)邊處的夾頭構(gòu)件中，應(yīng)力最大值發(fā)生在中間的夾頭構(gòu)件單元。

將不同時(shí)刻兩種結(jié)構(gòu)水密門(mén)整體、夾頭構(gòu)件、門(mén)板構(gòu)件最大應(yīng)力值分別連接繪制成曲線，發(fā)現(xiàn)無(wú)板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水密門(mén)整體結(jié)構(gòu)不同時(shí)刻最大應(yīng)力值曲線可在t=0.02s附近分為前后兩段，前段曲線與門(mén)板前段曲線變化規(guī)律十分一致，后段與夾頭構(gòu)件最大應(yīng)力曲線十分一致，這是因?yàn)樵跓o(wú)板架加強(qiáng)的情況下，前段沖擊載荷作用階段最大峰值應(yīng)力大部分發(fā)生在載荷直接作用的門(mén)板處，而后段結(jié)構(gòu)響應(yīng)階段最大峰值應(yīng)力大部分發(fā)生在水密門(mén)撞擊剛性艙壁后反彈時(shí)與剛性艙壁作用的夾頭構(gòu)件上，這與水密門(mén)整體運(yùn)動(dòng)過(guò)程相符。而設(shè)置板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水密門(mén)整體結(jié)構(gòu)不同時(shí)刻最大應(yīng)力值曲線與夾頭構(gòu)件最大應(yīng)力曲線十分一致，可見(jiàn)板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)可以有效地減小水密門(mén)門(mén)板最大應(yīng)力值，水密門(mén)整體結(jié)構(gòu)不同時(shí)刻最大應(yīng)力值由夾頭構(gòu)件決定。

圖3 不同時(shí)刻水密門(mén)整體von-mises應(yīng)力最大值

4.2.2 兩種結(jié)構(gòu)水密門(mén)塑性應(yīng)變

門(mén)板結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變大于0.01的部位主要發(fā)生在夾頭構(gòu)件與門(mén)板聯(lián)接作用的螺孔處、與艙壁結(jié)構(gòu)接觸的尖端處，無(wú)板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水密門(mén)門(mén)板最大應(yīng)變0.0302；設(shè)置板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水密門(mén)門(mén)板最大應(yīng)變0.0317。無(wú)板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水密門(mén)夾頭最大應(yīng)變0.0875；設(shè)置板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水密門(mén)夾頭最大應(yīng)變0.0596?？梢?jiàn)板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)可以有效地減小水密門(mén)整體最大應(yīng)變值的作用，兩種結(jié)構(gòu)形式的水密門(mén)最大塑性應(yīng)變均不超過(guò)0.28，可認(rèn)為均未發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞［9～12］。

圖4 整體最大有效塑性應(yīng)變時(shí)程曲線

4.2.3 水密門(mén)典型位置位移及整體最大位移

選取門(mén)板中心及長(zhǎng)短邊框中點(diǎn)共三個(gè)節(jié)點(diǎn)考查節(jié)點(diǎn)的位移情況，繪制位移曲線如圖11，通過(guò)分析可知門(mén)板先受沖擊波壓力作用后撞擊艙壁前表面后壓縮（正向位移），沖擊波壓力過(guò)后門(mén)板彈離艙壁（負(fù)向位移）。

圖5 門(mén)板中心及長(zhǎng)短邊框中點(diǎn)三個(gè)節(jié)點(diǎn)位移曲線

無(wú)板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水密門(mén)門(mén)板最大位移0.0624m；設(shè)置板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水密門(mén)門(mén)板最大位移0.0204m。無(wú)板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水密門(mén)夾頭最大位移0.0624m；設(shè)置板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水密門(mén)門(mén)板最大位移0.0296m?？梢?jiàn)板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)有效地減小水密門(mén)整體最大位移，使水密門(mén)承受空爆載荷沖擊而不引起與艙壁結(jié)構(gòu)的脫開(kāi)。

5 結(jié)語(yǔ)

1）依據(jù)現(xiàn)有設(shè)備抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)可明確設(shè)備抗沖擊等級(jí)、設(shè)備需要滿足的抗沖擊要求，參考前聯(lián)邦德國(guó)國(guó)防軍艦建造規(guī)范BV043/85中不同安裝部位采用的沖擊環(huán)境數(shù)據(jù)，可將沖擊反應(yīng)譜轉(zhuǎn)換到正負(fù)三角波載荷，實(shí)現(xiàn)從頻域到時(shí)域上的轉(zhuǎn)化，為仿真實(shí)時(shí)模擬提供輸入載荷考核艦船設(shè)備抗沖擊性能，為艦載設(shè)備抗沖擊分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)路徑。

2）水密門(mén)結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊過(guò)程中的沖擊響應(yīng)為：門(mén)板作為迎爆面首先受沖擊波壓力作用后撞擊艙壁前表面后壓縮，沖擊波壓力過(guò)后門(mén)板彈離艙壁，整個(gè)沖擊過(guò)程未發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞；夾頭構(gòu)件受到門(mén)板傳遞的應(yīng)力波作用，隨后在門(mén)板彈離艙壁過(guò)程中撞擊艙壁背爆面表面之后應(yīng)力進(jìn)一步增大導(dǎo)致不同程度塑性變形。門(mén)板后附連的板架結(jié)構(gòu)有效限制了門(mén)板的位移響應(yīng)，同時(shí)起到加強(qiáng)門(mén)板強(qiáng)度的作用，分擔(dān)了沖擊載荷。

3）通過(guò)對(duì)應(yīng)力云圖分析可得出不同結(jié)構(gòu)水密門(mén)最大應(yīng)力位置規(guī)律：無(wú)板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水密門(mén)均為夾頭構(gòu)件及門(mén)板邊框上的單元，且位于長(zhǎng)邊處的夾頭構(gòu)件單元最大應(yīng)力大于短邊處的夾頭構(gòu)件單元最大應(yīng)力，長(zhǎng)邊處的夾頭構(gòu)件中，中間的夾頭構(gòu)件單元應(yīng)力最大。設(shè)置板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水密門(mén)則主要發(fā)生在板架結(jié)構(gòu)及部分夾頭構(gòu)件上的單元。

4）將不同時(shí)刻兩種結(jié)構(gòu)水密門(mén)整體、夾頭構(gòu)件、門(mén)板構(gòu)件最大應(yīng)力值分別連接繪制成曲線，發(fā)現(xiàn)無(wú)板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水密門(mén)整體結(jié)構(gòu)不同時(shí)刻最大應(yīng)力值曲線可分為前后兩段，前段曲線與門(mén)板前段曲線變化規(guī)律十分一致，后段與夾頭構(gòu)件最大應(yīng)力曲線十分一致，說(shuō)明前段沖擊載荷作用階段最大峰值應(yīng)力大部分發(fā)生在載荷直接作用的門(mén)板處，而后段結(jié)構(gòu)響應(yīng)階段最大峰值應(yīng)力大部分發(fā)生在夾頭構(gòu)件上，這與水密門(mén)整體先由門(mén)板遭受沖擊，后反向運(yùn)動(dòng)夾頭構(gòu)件承受力的物理過(guò)程相一致；而設(shè)置板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水密門(mén)整體結(jié)構(gòu)不同時(shí)刻最大應(yīng)力值曲線與夾頭構(gòu)件最大應(yīng)力曲線十分一致，說(shuō)明板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)有效承擔(dān)了爆炸沖擊載荷，可以有效地減小水密門(mén)門(mén)板最大應(yīng)力值，水密門(mén)整體結(jié)構(gòu)不同時(shí)刻最大應(yīng)力值由夾頭構(gòu)件決定。

5）兩種結(jié)構(gòu)水密門(mén)塑性應(yīng)變大于0.01的部位主要發(fā)生在夾頭構(gòu)件與門(mén)板聯(lián)接作用的螺孔處、與艙壁結(jié)構(gòu)接觸的尖端處，其他大部分結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變很小，因此設(shè)備安裝連接結(jié)構(gòu)是抗沖擊設(shè)計(jì)要關(guān)鍵考慮的問(wèn)題。對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)形式的水密門(mén)最大應(yīng)變可知板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)可以有效地減小水密門(mén)整體最大應(yīng)變值，兩種結(jié)構(gòu)形式的水密門(mén)最大塑性應(yīng)變均不超過(guò)0.28，可認(rèn)為均未發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。

6）無(wú)板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水密門(mén)門(mén)板最大位移0.0624m；設(shè)置板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水密門(mén)門(mén)板最大位移0.0204m。無(wú)板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水密門(mén)夾頭最大位移0.0624m；設(shè)置板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水密門(mén)門(mén)板最大位移0.0296m?？梢?jiàn)板架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)有效地減小水密門(mén)整體最大位移，使水密門(mén)承受空爆載荷沖擊而不引起與艙壁結(jié)構(gòu)的脫開(kāi)。