孫登成 郭 君 蘇 楠 朱東俊

（哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院 哈爾濱150001）

引 言

舷側(cè)是潛艇遭受水下兵器攻擊的高頻部位，本文對雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)的抗爆性能進(jìn)行研究。水下接觸爆炸［1］作用下舷側(cè)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)以強(qiáng)非線性為顯著特點(diǎn)，理論方法常見于簡單板架等的求解，實(shí)驗(yàn)研究重復(fù)性差且易受實(shí)驗(yàn)操作及環(huán)境的影響，因而對于復(fù)雜船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)沖擊分析多采用數(shù)值方法。本文主要選取舷側(cè)結(jié)構(gòu)在接觸爆炸作用下的幾種主要構(gòu)件為分析對象，考察各部位的響應(yīng)特征，以吸收能量的比例反映結(jié)構(gòu)部件抗爆性能的強(qiáng)弱，以期用于結(jié)構(gòu)的防護(hù)沖擊。

由于潛艇自身的隱秘性及敏感性，國內(nèi)外關(guān)于潛艇舷側(cè)結(jié)構(gòu)尤其在近距爆炸下的特點(diǎn)、規(guī)律和抗爆性能研究公開的資料很少。Ls-Dyna［2］作為一種顯式有限元分析軟件，能較好地解決非線性問題，并且可以方便、快捷地求解，利于對爆炸現(xiàn)象進(jìn)行相似的規(guī)律統(tǒng)計(jì)。吉田?。?］對二戰(zhàn)初期戰(zhàn)艦的破口進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，但因其很大一部分由商船改建而來，所以本文欲選用常規(guī)鋼質(zhì)材料，從破口尺寸及舷側(cè)各主要結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特點(diǎn)對潛艇舷側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算。

1 數(shù)值模型

與水下非接觸爆炸主要造成艦船總體損傷相比，水下接觸爆炸主要造成局部結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞，對艦船抗沉性影響較大。為節(jié)約計(jì)算資源提高效率，取潛艇中部艙段進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，采用Ansys軟件進(jìn)行艙段等比例實(shí)體建模以更好地反映結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)行為，完成的艙段模型近似為雙層圓柱殼，如圖1所示。艙段長35 m，型寬8.5 m，耐壓殼寬7 m，外殼板厚定義為15 mm，內(nèi)殼板厚為28 mm，環(huán)肋及連接結(jié)構(gòu)板厚為22 mm。殼結(jié)構(gòu)采用Belytschko-Tsay薄殼單元，骨材、梁結(jié)構(gòu)等采用Truss梁單元，艇體結(jié)構(gòu)單元計(jì)算采用Lagrange乘子算法［2］。

圖1 潛艇艙段有限元模型

艙段外殼與流場在接觸爆炸載荷作用下產(chǎn)生明顯的流固耦合效應(yīng)，在數(shù)值計(jì)算中采用ALE算法實(shí)現(xiàn)，炸藥設(shè)置在艙段中部舷側(cè)距外殼0.5 m處。通過多次計(jì)算，對此工況的設(shè)定進(jìn)行了歸納總結(jié)，確定藥包模型為LS-DYNA材料庫中的MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型，采用JWL［2］狀 態(tài)方程運(yùn)算，水流場則用NULL材料模型，狀態(tài)方程采用GRUNEISEN［2］狀態(tài)方程描述，對于船體結(jié)構(gòu)，采用計(jì)及塑性階段的PLASTIC_KINEMATIC材料模型，各模型具體參數(shù)設(shè)定如表1-表3所示。

表1 炸藥參數(shù)

表2 水介質(zhì)參數(shù)

表3 鋼材料參數(shù)

2 載荷有效性驗(yàn)證

為了解決LS-DYNA模擬水爆沖擊波衰減過快的問題，需建立合理的密集型網(wǎng)格以保證近場載荷輸入的準(zhǔn)確性［5］。對于流場采用漸進(jìn)式網(wǎng)格，在2R0～4R0范圍內(nèi)，取流場網(wǎng)格尺寸與炸藥網(wǎng)格尺寸相當(dāng)；在4R0～12R0范圍內(nèi)，取流場網(wǎng)格尺寸為炸藥網(wǎng)格的兩倍，以此漸進(jìn)變大，如圖2所示。

圖2 炸藥及流場網(wǎng)格劃分

流場載荷的準(zhǔn)確性直接關(guān)系計(jì)算的成敗。應(yīng)首先保證計(jì)算中藥包的自由場沖壓力的準(zhǔn)確性，由于主要研究結(jié)構(gòu)的局部破壞，故只考慮沖擊波載荷的作用?，F(xiàn)參照Cole［6］經(jīng)驗(yàn)公式來檢驗(yàn)計(jì)算載荷，具體體現(xiàn)在壓力峰值及沖量兩個(gè)方面。

（1）沖擊波壓力峰值

式中：W為裝藥量；R為爆距；k、α為與炸藥性能有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，對于TNT，k= 53.3、α=1.13。

（2）比沖量

式中：α、β為與炸藥性能有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，對于TNT，l=5 768、β=0.89。

基于適用于水利建設(shè)的地理水紋記號系統(tǒng)化研究，本文提出了系統(tǒng)化的研究方法及流程，把視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)運(yùn)用于具體的水利水紋記號改良設(shè)計(jì)。我國現(xiàn)代水利中的地理水紋記號還有待于規(guī)范、完善，這對于我國水利現(xiàn)代化建設(shè)以及水文化發(fā)展具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

文獻(xiàn)［7］指出，自由場壓力的確定是水下爆炸工作的基礎(chǔ)。圖3所示為數(shù)值計(jì)算中流場距爆心1 m、3 m、5 m和10 m處單元的自由場壓力曲線，并將峰值和比沖量計(jì)算值與經(jīng)驗(yàn)值對比，見表4。

圖3 各爆距自由場壓力時(shí)歷曲線

表4 沖擊波壓力峰值和比沖量的計(jì)算值與經(jīng)驗(yàn)值對比

與經(jīng)驗(yàn)值對比可知，密集網(wǎng)格劃法及參數(shù)設(shè)置計(jì)算的沖擊波載荷，尤其是近場時(shí)的載荷保持著較高的精確性，滿足接觸爆炸計(jì)算的精度需求，證實(shí)了沖擊波載荷的有效性。

3 抗爆特性分析

3.1 舷側(cè)結(jié)構(gòu)破壞模式

圖4、表5分別為舷側(cè)破口塑性區(qū)云圖及與估算一般水面艦破口的修正吉田?。?］經(jīng)驗(yàn)公式的對比結(jié)果。

圖4 舷側(cè)破損情況

表5 艙段破口尺寸估算結(jié)果

a、b為破口尺寸，c為塑性應(yīng)變區(qū)域。與修正的半經(jīng)驗(yàn)公式對比可知，采用類似鋼材的潛艇破口明顯地小于一般水面艦艇，反映出潛艇封閉的拱形結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更大。由于外殼及附連結(jié)構(gòu)等的緩沖作用，潛艇內(nèi)殼未出現(xiàn)破口，但塑性區(qū)域同樣較大，并且非耐壓殼的大開口已致使?jié)撏У膬涓×p失嚴(yán)重，極易導(dǎo)致艇體浮態(tài)失控，在深水環(huán)境中危險(xiǎn)性尤為突出。

圖5 支承連接結(jié)構(gòu)應(yīng)變云圖

起連接、支承內(nèi)外殼作用的主要構(gòu)件應(yīng)變?nèi)鐖D5所示。塑性應(yīng)變區(qū)域集中在接近外殼破口的地方，平臺、環(huán)肋及艙壁為產(chǎn)生嚴(yán)重塑性變形的結(jié)構(gòu)。這一方面是由于爆炸沖擊波的直接作用，另一方面由于其參與內(nèi)外殼等結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)而產(chǎn)生變形。還可以看出，產(chǎn)生塑性區(qū)域的面積較大，說明其在一定程度上限制了雙層結(jié)構(gòu)的整體變形，參與到力的傳遞過程，反映了能量的傳遞方向。

耐壓殼的應(yīng)變分布如圖6所示，塑性區(qū)對應(yīng)外殼破口位置，無明顯的塑性應(yīng)變集中且值明顯小于外殼，這是由于經(jīng)過外殼的消耗和艙壁等橫向強(qiáng)構(gòu)件的傳遞后，作用在內(nèi)殼的殘余沖擊波載荷已大為減弱，并且內(nèi)殼強(qiáng)度比外殼更大，故造成內(nèi)殼應(yīng)變較小。這也從側(cè)面反映出雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)的緩沖作用和耐壓殼的密閉性。

圖6 內(nèi)殼應(yīng)變云圖

從具體響應(yīng)值上來看，現(xiàn)取爆心附近強(qiáng)力構(gòu)件上的點(diǎn)為剛性點(diǎn)，并得到內(nèi)殼板格中點(diǎn)的位移曲線（如下頁圖7所示），將兩者位移時(shí)歷曲線做差，得到的中點(diǎn)變形即近似為內(nèi)殼板格的中點(diǎn)撓度曲線。

圖7 撓度曲線

由撓度曲線可知，內(nèi)殼中點(diǎn)撓度在回彈后偏離0坐標(biāo)，產(chǎn)生一定的塑性變形。應(yīng)力曲線和應(yīng)變曲線反映材料特性變化過程，圖8為離破口附近內(nèi)外殼對應(yīng)位置上的塑性應(yīng)變，圖9為相應(yīng)的應(yīng)力結(jié)果。

圖8 應(yīng)變時(shí)歷曲線

圖9 應(yīng)力時(shí)歷曲線

由圖8看出，在0.01 s內(nèi)應(yīng)變有兩個(gè)不同速率的上升階段，與沖擊波波形變化對應(yīng)：第一個(gè)階段由壓力值較大的沖擊波尖銳階段造成，時(shí)間非常短；第二個(gè)階段由剩余沖擊波壓力的沖量增加影響，時(shí)間稍長。由圖9可知，破口附近的內(nèi)殼、外殼對應(yīng)單元應(yīng)力變化趨勢與應(yīng)變相對應(yīng)，高速?zèng)_擊波過后外殼的應(yīng)力趨于穩(wěn)定而內(nèi)殼應(yīng)力出現(xiàn)負(fù)值，從其應(yīng)力水平可推斷為應(yīng)力卸載之后整體彎曲變形的作用，導(dǎo)致內(nèi)殼產(chǎn)生中面拉力、壓力，而外殼附近單元由于破口的存在，故不隨整體協(xié)同變形，應(yīng)力值趨穩(wěn)。

3.2 接觸爆炸吸能分析

各部件的吸能特性及比例反映了舷側(cè)抗爆性能的強(qiáng)弱。水下接觸爆炸時(shí)，由于各部分結(jié)構(gòu)形式、位置以及板厚等不同會(huì)導(dǎo)致對能量反應(yīng)的差異，現(xiàn)按照外殼、內(nèi)殼及支承連接結(jié)構(gòu)分類，探討不同結(jié)構(gòu)所吸收能量的特點(diǎn)及比例。

結(jié)構(gòu)的總內(nèi)能包括未完全破壞構(gòu)件的能量以及已完全破壞構(gòu)件的能量，因此在計(jì)算時(shí)應(yīng)將兩者全部包含在內(nèi)。圖10是舷側(cè)接觸爆炸工況下，不同結(jié)構(gòu)吸能曲線。

圖10 結(jié)構(gòu)吸能曲線

而內(nèi)能又主要表現(xiàn)為兩種形式：一是結(jié)構(gòu)變形彈性勢能，二是結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變所吸收的能量。從能量特性上看，能量吸收的峰值反映出其對能量分流的敏感程度，內(nèi)能最終值變化反映出結(jié)構(gòu)塑性破壞的程度，結(jié)合兩者對比分析則能夠說明結(jié)構(gòu)的剛度分布及連接的強(qiáng)度，結(jié)果如下頁表6所示。

從圖10及表6可看出，爆炸初期由于載荷作用的瞬時(shí)性，各結(jié)構(gòu)能量迅速增加值達(dá)到峰值，而后以不同的速率衰減。峰值代表了能量分流能力，從效果來看，支承連接構(gòu)件>內(nèi)殼>外殼，即表示結(jié)構(gòu)的吸能能力，但差別不明顯。

表6 結(jié)構(gòu)吸能比例

外殼的能量終值比例最小，這是由于外殼在產(chǎn)生破口的同時(shí)還存在較大的變形，導(dǎo)致能量中含有最大比例的彈性能；而剩余兩結(jié)構(gòu)由于布置有縱橫強(qiáng)力構(gòu)件，塑性變形的比例更大，使得兩者內(nèi)能變化較小。事實(shí)上，構(gòu)件吸收能量的峰值和終值的變化反映出結(jié)構(gòu)的塑性損傷程度，間接說明了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱程度，因此，兩種能量的比例反映出結(jié)構(gòu)的吸能和抗沖擊能力。

4 結(jié) 論

對潛艇舷側(cè)雙層結(jié)構(gòu)分析可以看出，水下接觸爆炸作用下，外殼產(chǎn)生大的破口，支承連接結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，內(nèi)殼的響應(yīng)相對均勻。強(qiáng)度大的內(nèi)殼主要為塑性吸能，故不易變形，而強(qiáng)度小的外殼則包含較大勢能，通過對比吸能比例及變化可以反映結(jié)構(gòu)的吸能和抗沖擊能力。在得到各結(jié)構(gòu)的上述吸能特性后，可以為潛艇舷側(cè)的結(jié)構(gòu)布置、強(qiáng)度增強(qiáng)提供一定參考。

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