舰船舷侧防护结构水下接触爆炸动响应分析研究

杨树涛 朱永凯 焦 磊

哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001

舰船舷侧防护结构水下接触爆炸动响应分析研究

杨树涛 朱永凯 焦 磊

哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001

舰船舷侧防护结构在接触爆炸载荷作用下的动响应问题是舰船抗爆抗冲击设计的重要组成部分。根据国外水面舰船防护结构形式，在某单层舷侧舰船模型基础上增设舷侧防护隔壁结构，并应用国际上通用的动力有限元程序ABAQUS对其进行水下接触爆炸系列数值仿真实验，考核舷侧防护结构对舰船抗爆抗冲击性能的影响。通过结果的对比分析发现，增设舷侧防护结构后较明显改善了船体外板的损伤情况，且防护隔壁仅发生了少量的塑性变形没有产生破口，从而达到了保护内部机舱等重要舱室的目的，并以防护结构双层隔舱内填充液体抗冲击性能最佳。

水下接触爆炸；防护结构；数值仿真；抗冲击性能

1 引言

近年来，随着现代兵器技术和精确制导技术的发展，水下兵器的杀伤力和命中精度都得到了极大的提高，致使鱼雷等反舰武器可以贴近舰船表面爆炸，即水下接触爆炸。目前，关于单层板 壳［1-2］及简单板架结 构［3-5］在接触 爆 炸 载 荷 作用下的研究成果较多，但对于结构相对较为复杂的多层板壳［6-7］及舱段模型［8］研究甚少，对于整船结构的研究几乎还没有开展过。因此，研究水下接触爆炸载荷作用下舰船结构的动响应特征具有重要的现实意义和工程应用价值。

针对舰船舷侧相对较弱的现状，本文根据西方现役舰船舷侧防护结构设计形式，在某单层舷侧舰船模型基础上增设舷侧防护隔壁结构，并应用数值仿真的方法对不同模型的抗冲击性能进行了对比分析。研究结果表明：增设舷侧防护隔壁结构后较明显改善了船体外板的破坏情况，且防护隔壁只发生了少量的塑性变形没有产生破口，从而达到了保护内部机舱等重要舱室的目的，并以防护结构双层隔舱内填充液体抗冲击性能最佳。这可以为今后新型舷侧防护结构形式设计提供参考。

2 舷侧防护结构设计

文中计算模型为根据西方传统舰船虚拟某小型水面舰船，该舰为单层舷侧结构，其典型横剖面如图1所示，为叙述方便，将其称为模型1。

为了研究舷侧防护结构对提高舰船结构抗爆抗冲击性能的影响，本文在模型1的基础上为该舰增设舷侧防护隔舱：即在船舯舷侧部分增设一层纵向防护隔壁，该隔壁在水线部位距舷侧大约1m，并与舷侧外板及两端横舱壁组成水密隔舱，在防护隔舱内纵向每隔3 m（约6个肋位）设置一道横隔壁，每道横隔壁中间开人孔以减轻重量，将防护隔舱划分为若干连通舱，其典型横剖面如图2所示，此为模型2。以模型2为基础，防护隔舱中注入80%的水时，称为模型2-1，而防护隔舱仅为一层空舱时，称为模型2-2。

总结上述说明，按照结构型式的不同，文中共分析了3种计算模型，具体如表1所示。

表1 不同舷侧结构模型

3 有限元数值仿真

3.1 有限元模型建立

本文首先利用大型通用有限元软件ANSYS对该舰进行建模，有限元模型采用笛卡尔坐标系，坐标原点取在基线上第 125号肋骨处，x轴重合于基线，向舰首方向为正；y轴垂直于中线面，向左舷为正；z轴垂直于水线面，向上方为正，如图3所示。

有限元网格划分时，考虑到船体结构遭受水下鱼雷接触爆炸时，其结构必然受到爆炸冲击作用产生塑性变形甚至破坏，而采用数值手段模拟这种瞬间、高应变率的破坏过程，需要将结构网格细致划分。而且水下接触爆炸对结构造成的损伤破坏范围主要局限于武器弹着点附近，相对于整船来说，可以视为局部问题，故本文采用局部网格加密技术对该舰船进行有限元网格划分，即在在武器弹着点附近进行局部网格加密。具体来说，舰船总体网格尺寸为 0.3～0.5 m，局部加密处尺寸为0.05～0.08 m，整 个 模 型 单 元 规 模 总 数 达 到 了728 450，其中包括636 500个壳单元和91 950个梁单元。这样可使在保证计算精度的前提下，大大提高数值试验的计算效率和工程应用价值，某舰具体有限元网格模型如图4所示。

由于ABAQUS软件中的声固耦合算法可以很好地模拟流场与结构的耦合作用，这里在ABAQUS中对某舰周围流场进行数值建模。在数值模拟过程中，外部流场网格划分的因素起到了关键作用，流场网格划分的大小与冲击载荷的频率成分有关。在实际工作当中，往往需要凭借经验来判断网格的密度。文献［9］认为如果要使分析结果和实验比较吻合，结构以及结构周围的流场一般在一个冲击波波长内至少有10～25个网格，而外部流场在一个冲击波波长之内大约有1～5个网格即可。对于大模型来说，通常在流固交界面附近采用高精度网格，而其余流场网格可以略粗一些。结合船体模型，最终形成某舰与其周围流场的整体有限元模型，如图5、图6所示。

3.2 材料模型及单元失效准则

在水下接触爆炸这种瞬态强冲击载荷作用下，船体材料应变率效应特别明显，本文采用与试验结果吻合较好的Cowper-Symonds材料模型［10］，来合理地考虑应变率对材料性能的影响，以正确判断结构损伤情况。

数值仿真计算中，采用了等效失效应变准则判别材料的失效，综合考虑本文的失效应变可取为 0.28。

3.3 计算工况设置

为了更好地对比分析舷侧防护结构的抗爆抗冲击性能，3种舷侧模型的计算工况保持一致：即药包质量分为 40 kg、65 kg两种，爆距为 0.3m，且药包置于船舯舷侧水下2m处，以模型1为例，药包相对位置如图7所示。其中H表示药包位于水线下2m处，R表示爆距为0.3m。

4 计算结果分析

4.1 舰船动响应分析

经过数值仿真计算，可得到不同工况下船体结构接触爆炸载荷作用下的响应特征，这里以模型2-1在65 kg药包爆炸工况下舰船动态响应为例，给出某时刻舷侧接触爆炸载荷下船体结构响应云图，如图8，图9所示。可见，在接触爆炸载荷作用下船体结构在弹着点附近响应最为剧烈，甚至出现破口，而随着距弹着点距离的增加结构响应迅速衰减，具有明显的局部性特征。所以，采用局部网格细化的方法可以很好地模拟接触爆炸载荷作用下的舰船结构动响应特征。

下面给出了舷侧接触爆炸工况下船体甲板不同位置加速度响应时历曲线，如图10～图12所示。

从图10～图12可以看出，船体响应以高频成分为主，且船体中部距离药包最近，冲击波最先作用于该处，响应也最剧烈。从时域峰值来说，中部响应峰值几乎是尾部、首部的几倍甚至十几倍，这也再次验证了接触爆炸的局部破坏特性。

4.2 船体外板破口及塑性变形范围

船体外板作为冲击波最先作用的部位，在接触爆炸载荷作用下的损伤一般也最严重。在冲击波载荷作用下，一般认为当船体外板的应力达到了材料的屈服应力时，就会产生塑性变形；随着载荷的进一步作用及结构惯性的影响，船体板会进一步发生变形，等效塑性应变随之增加，直至达到材料的失效应变，船体外板出现破口。

通过结果分析发现，船体外板发生塑性变形区域较大，尤其是在外板与刚性较大支撑构件的连接部位，如外板与各甲板、平台，内底板与舱壁相交位置产生的塑性变形最大。为了比较不同舷侧防护隔舱模型对船体结构抗爆抗冲击的影响，表2列出3种模型在不同工况下船体外板破口及塑性变形范围，其中R表示破口半径。

表2中结果表明，在舷侧水下接触爆炸载荷作用下，增设舷侧防护结构后较明显地改善了船体外板的损伤情况：相对于单层舷侧的模型1，模型2-1与模型2-2外板破口半径分别缩小了约25%～31%和 16.7%～22.2%；塑性变形区域分别缩小了 57.8%～62.3%和 42.3%～45.3%。 这体现出防护隔舱在一定程度上降低了外板的损伤范围，增强了船体外板的抗爆能力，起到保护内部舱室的效果。与此同时，随着药包质量的增加，舷侧防护隔壁对整个船体结构的防护作用越明显。并且以模型2-1改善效果最好，这是由于隔舱内的液体在爆炸冲击波作用过程中通过与船体板的作用也吸收了一定的能量，提高了船体的抗冲击性能。

表2 不同工况下各模型船体外板塑性变形及破口范围

4.3 防护隔壁破口及塑性变形范围

作为防雷舱，舰船舷侧水密隔舱的主要作用为在船体外板破损的情形下防止海水进入内部重要舱内，以增强舰船整体的抗爆能力。为了更加深入地研究防护隔壁结构在爆炸载荷作用下的损伤情况，这里给出了设有舷侧防护结构的模型2-1及模型2-2在舷侧接触爆炸载荷作用下防护隔舱隔壁的塑性变形及破口范围，具体结果如表3所示。

表3 不同工况下各模型防护隔壁塑性变形及破口范围

计算结果表明，模型2-1及2-2的防护内壁均没有出现破口，这就形成了保护内部重要舱室的第二道屏障，对于舰船内部结构起到了很好的防护作用。同时可以看出，模型2-1较模型2-2塑性变形范围及最大变形量分别减小了约26.5%～28.6%和 14.3%～16.6%，可见舱内注液体更有利于舷侧防雷。

5 结论

本文应用数值仿真的方法对某舰在水下接触爆炸载荷作用下的动态响应过程进行了模拟。对比分析了增设防护隔壁的两种舷侧防护结构模型与原模型抗爆抗冲击性能，得到主要结论如下：

1）水下接触爆炸具有明显的局部性损伤特征，有限元建模时采用局部网格细化技术可以保证计算精度的同时大大提高计算效率。

2）不同工况下，塑性区域均多出现在船壳与较强构件相交处，如外板、平台与舱壁相交处等。与此同时，船体结构动响应以高频为主，且幅值随时间衰减很快。

3）在舷侧接触爆炸情况下，相对于单层舷侧的模型1，模型2-1与模型2-2外板破口半径分别缩小了约 25%～31%和 16.7%～22.2%；塑性变形区域分别缩小了 57.8%～62.3%和 42.3%～45.3%。这体现出防护隔舱在一定程度上降低了外板的损伤范围，增强了船体外板的抗爆能力，起到保护内部舱室的效果。并且以双层隔舱内注入液体效果最好。

4）当船体外板产生了比较大的破口时，防护隔壁只发生了少量的塑性变形，并没有产生破口，形成了保障船体结构安全性的第二道屏障，从而达到了保护内部机舱等重要舱室的目的。

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Analysis on Dynam ic Response of Shipboard Protective Structure Subjected to Underwater Contact Exp losion

Yang Shu－tao Zhu Yong－kai Jiao Lei
College of Shipbuilding Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China

The dyna mic response of shipboard protective structure subjected to contact explosion load is one of the important issues in the anti－detonation and anti－shock design of ship.Considering various protective structural configurations of foreign surface ships，a numerical simulation was carried out on the shipboard protective structure with additional bulkhead based on a mono hull ship model，utilizing the finite element package ABAQUS commonly used for dynamic analysis，and the impacts of the shipboard protective structure on the anti－detonation and anti－shock performance were investigated.The comparison results and analysis showed that the anti－shock performance of outer plate of hull with additional protection was significantly improved，in which no crevasses were found other than a few of plastic deformations occurred in the structure.This design can fulfill the protection requirement of the important inner spaces such as engine room from explosion loading， and it shows that the liquid－filled protective structure of double hull is the optimal configuration for anti－shock performance.

underwater contact explosion； protective structure； numerical simulation； anti－shock performance

U661.43

A

1673－3185（2010）04－22－05

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.04.005

2009－11-18

杨树涛（1984－），男，硕士。研究方向：船舶结构动力学。E-mail：shutaoyang2008＠ hotmail.com