鄧新文，田雪冰，奚慧巍

(91439部隊，遼寧 大連 116041)

進行水中兵器爆炸壓力參數(shù)測量是實現(xiàn)兵器爆炸威力考核的重量手段。隨著水中兵器的發(fā)展，兵器戰(zhàn)斗部裝藥威力越來越大，對水中兵器爆炸威力測量與考核帶來極大困難［1］。由于兵器爆炸威力沖擊波具有高頻特性，測量信號在傳輸過程中衰減非?？?，測量傳感器與數(shù)據(jù)采集設(shè)備之間的距離不宜太長［2］。為實現(xiàn)對水中兵器爆炸威力測量，需要在兵器附近布設(shè)爆炸沖擊測量載體。本文設(shè)計了一型具有穩(wěn)定性好、能承受較大風浪的雙體船［3］作為爆炸沖擊測量設(shè)備承載平臺。采用大型有限元軟件ABAQUS，對該雙體船全船結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)進行數(shù)值模擬，通過優(yōu)化雙體船全船結(jié)構(gòu)，降低艦體底部等強沖擊部位的塑性變形，使該雙體船全船結(jié)構(gòu)滿足大當量水中兵器爆炸沖擊測量需求。

1 雙體船模型的建立

對于仿真計算，建模方法的正確性直接決定計算結(jié)果的正確性，模型的精確性直接影響仿真結(jié)果的精度。

1.1 建模方法分析

數(shù)值計算方法可以較好的解決理論研究和試驗研究的不足之處，特點是成本低、周期短、可重復(fù)性好，但是其必須依托理論指導(dǎo)進行建模。水下非接觸爆炸仿真計算主要涉及流體力學(xué)、熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等多個學(xué)科［4，5］，建模方法復(fù)雜。本文仿真模型的建立主要基于聲-固結(jié)構(gòu)耦合法。聲-固結(jié)構(gòu)耦合法在處理流固耦合問題時將流體當做聲學(xué)介質(zhì)來處理，載荷包含了沖擊波和氣泡脈動的綜合作用，同時還考慮了空化壓力的影響。建模主要由多個三維實體建模軟件來實現(xiàn)，求解通過 ABAQUS軟件的求解器進行。ABAQUS在計算水下爆炸載荷時，是通過經(jīng)驗公式首先計算出非常接近結(jié)構(gòu)表面一點處流體的壓力時程曲線，然后再自動計算流場中其余各點的壓力分布［6］。這是ABAQUS計算水下爆炸的最大優(yōu)點，避免了沖擊波在流體域中傳播造成的能量損失。

1.2 模型的建立

根據(jù)各商業(yè)軟件的特點，雙體船實體結(jié)構(gòu)通過Pro/E軟件建立，導(dǎo)入到Hypermesh軟件進行船體及水域模型的網(wǎng)格劃分，通過ABAQUS軟件進行有限元前后處理并分析計算。

設(shè)雙體船長度為1 m，則寬度為0.35 m、型深0.14 m、吃水0.75 m，每隔0.04 m添加一個加強筋。船體外板和水密艙壁網(wǎng)格總單元數(shù)為8734個，如圖1所示。船體梁線單元為B31，共4336個，如圖2所示。水域半徑取船體半寬的六倍1.05 m，水域中間為長1.14 m、半徑1.05 m 的圓柱，兩邊為半徑1.05 m的四分之一球;水域由內(nèi)到外網(wǎng)格大小依次遞增，單元總數(shù)為1105638，單元類型為AC3D4聲學(xué)四面體單元，如圖3所示。

圖1 整體模型

圖2 梁單元模型

圖3 外板單元模型

在有限元網(wǎng)格實體模型建立的基礎(chǔ)上，對模型添加材料屬性及約束條件。雙體船船體結(jié)構(gòu)材料模型采用塑性運動強化模型，該材料模型靜態(tài)條件下用兩段斜率不同的直線分別表達材料的彈性階段和塑性階段，可反映材料的應(yīng)變率影響效應(yīng)，材料屬性如表1所示。雙體船結(jié)構(gòu)與水域之間用基于面的約束方法模擬流固耦合。船體結(jié)構(gòu)模型建立的基礎(chǔ)上，在連接橋上建立爆炸測量設(shè)備的直接承載平臺，平臺的沖擊動力學(xué)特性是仿真計算的直接目的;平臺設(shè)計額定承載質(zhì)量850 kg，大小為0.2 m×0.16 m，質(zhì)量通過均布添加在平臺單元上。對重力和浮力進行平衡調(diào)節(jié)，形成最終的仿真計算模型。

表1 雙體船材料屬性

2 船體結(jié)構(gòu)響應(yīng)計算

在仿真模型建立的基礎(chǔ)上，提交ABAQUS軟件求解器進行計算，計算平臺采用高性能128核集群系統(tǒng)。計算工況如下:

船首:炸藥距船中70 m，距水面40 m，藥量為1000 kg TNT;船中:炸藥距船中70 m，距水面40 m，藥量為1000 kg TNT;船尾:炸藥距船中70 m，距水面40 m，藥量為1000 kg TNT。

2.1 應(yīng)力應(yīng)變分析

計算完成后，取沿船長十個位置的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果進行分析。應(yīng)力應(yīng)變幅值的位置處于距船尾0.58 m、船中0.1 m、船底上，如圖4所示;其應(yīng)變、應(yīng)力的時程曲線如圖5和圖6所示。結(jié)果表明:船體產(chǎn)生較為明顯的塑性變形，但沒有產(chǎn)生破口，塑性變形較大的區(qū)域主要位于水面以下;應(yīng)變幅值位置并不是離爆點最近;雙體船連接橋與片體過度處有一定的應(yīng)力集中;應(yīng)力具有瞬時效應(yīng)，應(yīng)變具有積累效應(yīng)。

圖4 應(yīng)變云圖

圖5 應(yīng)變時程曲線

圖6 應(yīng)力時程曲線

2.2 加速度結(jié)果分析

由于測量設(shè)備以及其他測試保障設(shè)備都布置在甲板上，文中主要對甲板的加速度進行分析。在安裝測試平臺處(如圖7所示，距船尾0.52 m，船中上，距船底0.14 m)的3個方向的加速度時程曲線如圖8中(a)、(b)、(c)所示。結(jié)果表明:甲板加速度峰值介于100～300 g之間;垂向加速度峰值較其他兩個方向大;甲板與中橫剖面交線附近加速度較船首、船尾處略大，主要是由于該處位于船體一階模態(tài)振幅處。

圖7 甲板加速度云圖

圖8 加速度時程曲線

3 雙體船模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，全船多處出現(xiàn)塑性應(yīng)變，雖然塑性應(yīng)變都較小，但雙體船作為測量載體，其會產(chǎn)生一定的累積毀傷，故本文對船體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，主要措施有:在船底中線兩側(cè)適當位置分別增加一條船底縱骨，和原船底縱骨都延伸至水線面;水面以下船體外板厚度增加1/2;連接橋和片體之間過渡處進行結(jié)構(gòu)加強、開泄壓槽;強肋位數(shù)量增加原來的1/2;承載測試設(shè)備的平臺添加裝隔振系統(tǒng)，隔振器選取某公司的AGS-54A型彈簧隔振器，共6個。

對雙體船結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的模型進行計算，結(jié)果表明:最大塑性應(yīng)變?yōu)閮?yōu)化前的1/6;經(jīng)過隔振系統(tǒng)之后，加速度降為20 g以內(nèi)。雖然在惡劣工況下船體結(jié)構(gòu)還有微小變形，考慮鋼具有沖擊硬化的特性，可以得出改進后的雙體船結(jié)構(gòu)滿足試驗需求。

4 結(jié)束語

雙體船作為水下爆炸測量設(shè)備載體有其自身的優(yōu)點，但必須滿足結(jié)構(gòu)強度要求。文中對初步設(shè)計的船體結(jié)構(gòu)進行水下爆炸仿真計算，結(jié)果表明全船多處出現(xiàn)塑性應(yīng)變，但是塑性應(yīng)變都較小，不至于發(fā)生破壞?？紤]水下爆炸作用下的毀傷累積，對雙體船結(jié)構(gòu)進行了局部優(yōu)化。優(yōu)化后的結(jié)果表明船體塑性變形和測量設(shè)備安裝處加速度明顯減小，雙體船結(jié)構(gòu)滿足試驗需求。

［1］吳靜波，汪玉，李兆俊，等.實船水下爆炸沖擊試驗測量技術(shù)［J］.科技導(dǎo)報，2009，27(14):42-47.

［2］Cole R H.Underwater explosions［M］.Princeton:Princeton University Press，1948.

［3］何義，趙連恩.高速穿浪雙體船船型及性能研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，1997，18(4):8-12.

［4］劉建湖.艦船非接觸水下爆炸動力學(xué)的理論與應(yīng)用［D］.無錫:中國船舶科學(xué)研究中心，2003.

［5］Zhen-hua ZHANG，Yu WANG，Li-jun ZHANG，et al.Similarity research of anomalous dynamic response of ship girder subjected to near field underwater explosion［J］.Applied Mathematics and Mechanics(English Edition)，2011，32(12):1491-1504.

［6］姚熊亮，張阿漫，許維軍，等.基于ABAQUS軟件的艦船水下爆炸研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2006，27(1):37-41.

［7］宮國田，權(quán)琳，張姝紅，等.遠程多路現(xiàn)場注冊遙控起爆系統(tǒng)的設(shè)計［J］.四川兵工學(xué)報，2013(4):4-6.