小水線面雙體船抗水下爆炸設(shè)計(jì)與驗(yàn)證?

陳高杰 賈 則

（中國(guó)人民解放軍91439部隊(duì) 大連 116041）

1 引言

水中兵器爆炸產(chǎn)生的沖擊波壓力是評(píng)估其爆炸威力的重要指標(biāo)，但由于戰(zhàn)斗部裝藥量大，爆炸威力試驗(yàn)中測(cè)量設(shè)備的安全布置成為一個(gè)重要問題，通常需要使壓力傳感器與數(shù)據(jù)采集設(shè)備保持足夠的安全距離［1］。小水線面雙體船作為一種新型的水面艦船，與單體船相比具有穩(wěn)定性好、阻力峰不明顯、裝載量大等特點(diǎn)，可承受較大風(fēng)浪，廣泛應(yīng)用于軍用和民用船舶，并逐漸成為海軍裝備系統(tǒng)的重要船型之一［2～4］。采用小水線面雙體船作為測(cè)量設(shè)備承載平臺(tái)開展大當(dāng)量戰(zhàn)斗部水下爆炸威力試驗(yàn)成為一種新的方式，但其抗沖擊性能設(shè)計(jì)與驗(yàn)證對(duì)試驗(yàn)實(shí)施至關(guān)重要，前期李仲偉等［5］、尹群等［6］、黃樂華［7］對(duì)雙體船的全船強(qiáng)度分析與計(jì)算開展了一些研究，岳永威等［8］、高峰等［9］利用數(shù)值仿真軟件對(duì)雙體船抗沖擊性能進(jìn)行了初步研究，積累了一些經(jīng)驗(yàn)，但都缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證。本文利用聲固耦合法對(duì)某小水線面雙體船進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，考核在預(yù)定沖擊因子下的動(dòng)態(tài)沖擊響應(yīng)，結(jié)果表明水中兵器戰(zhàn)斗部在橫向和縱向水下爆炸均未對(duì)船體產(chǎn)生明顯塑性變形，滿足抗沖擊設(shè)計(jì)要求，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證后可作為測(cè)量設(shè)備承載平臺(tái)。該方法可為其它雙體船抗沖擊性能設(shè)計(jì)提供參考。

2 雙體船結(jié)構(gòu)與建模

2.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

雙體船由兩個(gè)尺寸相同、對(duì)稱或者不對(duì)稱布置的船體并列連成一體的船舶，主要包括普通高速雙體船、小水線面雙體船、穿浪雙體船、水翼雙體船和氣墊雙體船等。在結(jié)構(gòu)上，雙體船借助兩個(gè)潛入水下的細(xì)長(zhǎng)潛體產(chǎn)生浮力，通過若干支柱來(lái)支撐水面上方的船體，航行時(shí)上體不接觸水，下體提供浮力的主要部分，艉部裝有推進(jìn)器。下體內(nèi)一般布置燃油艙、淡水艙、壓載水艙、推進(jìn)器傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定鰭的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。上體高居于水面以上的輕型結(jié)構(gòu)，內(nèi)部是艙室，上面是寬敞的甲板平臺(tái)。支柱具有厚度較薄的雙凸?fàn)盍骶€型剖面，將上體和下體連成一個(gè)整體，也是上體和下體的聯(lián)系通道。

圖1 雙體船橫剖面圖

2.2 建模方法

本文首先通過Pro/Engineer軟件建立雙體船的實(shí)體模型，生成igs 格式的曲面，再導(dǎo)入到Hypermesh 軟件中進(jìn)行船體和周圍水域的網(wǎng)格劃分，生成inp 格式的關(guān)鍵字文件，最后導(dǎo)入ABAQUS 軟件中進(jìn)行材料屬性定義、單元屬性更改、約束條件、邊界條件、載荷、場(chǎng)變量與時(shí)間歷程變量設(shè)置等，采用Explicit求解器計(jì)算出odb格式的結(jié)果文件［10］。

如圖2（a）所示，船體結(jié)構(gòu)有限元模型由殼單元（S4R）、梁?jiǎn)卧˙31）和質(zhì)量單元（MASS）組成。殼單元主要用于模擬船體上的甲板、舷側(cè)板、艙壁板和底板等，梁?jiǎn)卧饕糜谀M結(jié)構(gòu)的中橫梁、加強(qiáng)材、肋骨框架、甲板縱桁、艙壁桁材和船底縱桁等構(gòu)件，質(zhì)量單元用于模擬船上安裝設(shè)備。如圖2（b）所示，流體域采用聲學(xué)單元（AC3D8R），由一個(gè)1/2 圓柱生成，半徑為船半寬的6 倍。為了保證計(jì)算的精度和穩(wěn)定性，流體域一個(gè)沖擊波長(zhǎng)范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)單元數(shù)為10 個(gè)。流固耦合面上流體的單元尺寸與結(jié)構(gòu)相同，但節(jié)點(diǎn)不重合。

2.3 材料模型及參數(shù)

船體材料為Q235 鋼，密度7800kg/m3，彈性模量210GPa。采用Cowper-Symonds強(qiáng)化模型描述金屬材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系:

上式中ε˙p為塑性應(yīng)變率，σ0為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力，而σ為動(dòng)態(tài)瞬時(shí)應(yīng)力，D和q為常數(shù)。在應(yīng)用以上模型進(jìn)行處理時(shí)，σ0和σ分別取準(zhǔn)靜態(tài)屈服應(yīng)力和動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力。D＝5368.6，q=1.28，σ0=235MPa。

流體水密度1025kg/m3，體積模量2.13×109Pa，水中聲速1498m/s。

圖2 有限元模型圖

2.4 爆炸載荷

關(guān)于沖擊波階段和氣泡膨脹與收縮階段的壓力模擬，采用Geers and Hunter 公式［11］。在t＜7Tc時(shí)（沖擊波階段），沖擊波壓力可表示為

在t＞7Tc時(shí)（氣泡脈動(dòng)階段），氣泡脈動(dòng)壓力可表示為

式中，ρf為流體密度，kg/m3；R 為測(cè)點(diǎn)到氣泡中心的距離，m；mc為炸藥質(zhì)量，kg/m3；ac為炸藥初始半徑，kg/m3；V 為炸藥體積，m3；Pc為初始?jí)毫?，Pa；Tc為時(shí)間常數(shù)，s；K、k、A、B為炸藥材料常數(shù)；a為炸藥半徑，m。

圖3 工況設(shè)置圖

采用龍骨沖擊因子進(jìn)行工況設(shè)置，工況設(shè)置圖如圖3所示。龍骨沖擊因子KSF的定義為

本文計(jì)算工況龍骨沖擊因子取0.3，此時(shí)水下爆炸載荷壓力時(shí)程曲線如圖4 所示，將爆炸載荷用該壓力曲線加載到?jīng)_擊波最先到達(dá)船體上的節(jié)點(diǎn)處。

圖4 爆炸載荷壓力時(shí)程曲線

2.5 約束與邊界條件

計(jì)算模型采用的約束條件為船體濕表面與流體干表面之間設(shè)置TIE 約束，將結(jié)構(gòu)殼單元與流體聲學(xué)單元用聲固耦合法粘結(jié)在一起，用于模擬兩者之間的流固耦合效應(yīng)。

由于計(jì)算采用總波公式，在自由水面處施加0壓力邊界條件，用于模擬水面截?cái)嘈?yīng)。

在流體域的其它面施加無(wú)反射邊界條件，用于模擬無(wú)限水域。

3 失效判別準(zhǔn)則

雙體船抗沖擊性能考核指標(biāo)為船體在龍骨沖擊因子為0.3時(shí)不產(chǎn)生明顯塑性變形。采用下列兩種失效判別準(zhǔn)則［12］。

1）屈服應(yīng)力判別準(zhǔn)則

在已知材料的屈服應(yīng)力σs的情況下，考慮動(dòng)態(tài)應(yīng)變率的影響，由Cowper-Symonds 強(qiáng)化模型，可以求出t 時(shí)刻動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力σs，認(rèn)為當(dāng)最大應(yīng)力σmax≥σs時(shí)，結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)塑性區(qū)。

2）等效塑性應(yīng)變判別準(zhǔn)則

當(dāng)結(jié)構(gòu)遭受爆炸載荷的沖擊時(shí)，沖擊載荷短時(shí)間內(nèi)顯著變化，產(chǎn)生高加載率或高應(yīng)變率。而隨著應(yīng)變率的提高，材料的屈服極限和強(qiáng)度極限提高，延伸率降低，屈服和斷裂滯后。通常等效塑性應(yīng)變?nèi)?.28 時(shí)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破口。根據(jù)《GJB4000-2000 艦船通用規(guī)范》的要求:水下爆炸使水面艦船的殼板不產(chǎn)生塑性變形，艦船殼體距爆心的最近距離Ra確定為水面艦船的安全半徑。水下爆炸使水面艦船殼板產(chǎn)生的塑性應(yīng)變量達(dá)到殼板的極限變形量εlim的爆心與艦船殼體的最近距離Rc確定為水面艦船的臨界半徑，εlim通常取0.08。

4 仿真計(jì)算結(jié)果

圖5 沖擊波加載時(shí)刻壓力云圖

圖6 船體von Mises應(yīng)力云圖

由于加載點(diǎn)為沖擊波到達(dá)船體上的最近點(diǎn)，因此計(jì)算初始時(shí)刻為沖擊波加載到船體產(chǎn)生沖擊響應(yīng)的起始點(diǎn)，圖5 為沖擊波加載時(shí)刻的爆源位于正橫和縱向位置時(shí)的壓力云圖。圖6 分別為沖擊波作用后爆源位于正橫和縱向位置時(shí)的von Mises 應(yīng)力云圖，正橫方向爆炸沖擊產(chǎn)生的最大應(yīng)力響應(yīng)值大于縱向爆炸，且兩種情況均超過了材料屈服應(yīng)力，不滿足產(chǎn)生塑性區(qū)的判別準(zhǔn)則。圖7 分別為沖擊波作用后爆源位于正橫和縱向位置時(shí)的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D，正橫方向爆炸沖擊產(chǎn)生的最大等效塑性應(yīng)變響應(yīng)值大于縱向爆炸，且兩種情況均小于0.28，結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)破口；最大等效塑性應(yīng)變值為0.0048，小于極限變形量0.08，結(jié)構(gòu)在臨界半徑范圍內(nèi)，此時(shí)結(jié)構(gòu)殼板出現(xiàn)永久變形，不影響水密性，但長(zhǎng)久使用會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成安全威脅。

圖7 船體等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖8 正橫方向測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程曲線

圖8 為較危險(xiǎn)工況正橫方向爆炸時(shí)加載點(diǎn)處和測(cè)量設(shè)備安裝處測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程曲線，可以看出沖擊波作用后產(chǎn)生的沖擊加速度響應(yīng)由加載點(diǎn)傳遞到測(cè)量設(shè)備安裝處的過程中不斷衰減，由608.5g衰減到286.7g，而測(cè)量設(shè)備緩沖裝置的抗沖擊指標(biāo)為1000g，滿足測(cè)量設(shè)備安裝要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)某小水線面雙體船進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，驗(yàn)證了其抗沖擊性能，可得出以下結(jié)論。

1）該雙體船在龍骨沖擊因子為0.3時(shí)應(yīng)力超過了屈服強(qiáng)度，會(huì)產(chǎn)生塑性變形，但對(duì)船體水密性不會(huì)有影響；作為測(cè)量設(shè)備承載平臺(tái)產(chǎn)生的累積損傷具有安全隱患，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)后可滿足使用要求；

2）炸藥在正橫方向爆炸產(chǎn)生的沖擊響應(yīng)大于縱向爆炸，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮該位置爆炸產(chǎn)生的毀傷效應(yīng)；

3）緩沖平臺(tái)抗沖擊性能可承受設(shè)計(jì)工況下的沖擊，在船體強(qiáng)度滿足要求的情況下可保證測(cè)量設(shè)備安全。