水面艦艇舷側抗沖擊防護結構形式初探

1 引 言

眾所周知，艦艇不僅要有較強的作戰能力，同時要有相應的生存能力，特別是在遭到敵方攻擊時能夠繼續完成既定使命任務的能力。艦艇設置防護結構的目的就是為了有效地抵御各種戰術武器的攻擊，保證艦艇在受到各種武器攻擊時所產生的破損或毀壞程度能控制在允許的狀態和范圍內，從而提高艦艇的生存和作戰能力。

為了提高水面艦艇的作戰生命力，各國海軍都在致力于這方面的研究，如改變舷側結構的尺寸、在鋼板上敷設復合材料等。但是針對大型水面艦艇，除此之外，還在舷側設置了多層隔艙來實現防護目的。在作戰過程中，艦體的舷側結構是相對薄弱的環節，如遭受水下武器近距離攻擊時，會導致舷側結構局部塑性變形或者是根本性的破損；如是遠距離攻擊，也要遭受到水下爆炸物沖擊波的作用，艦體會產生劇烈振動，使艦用設備不能處于準確的工作狀態中，嚴重的情況下會使重要設備完全失效。

水下舷側防護結構向來是水面艦艇防護結構的重點，二次大戰期間海軍強國曾對其做過系列研究[1]，由于保密的原因，該方面文獻極少。我國在水面艦艇舷側結構防護形式方面的研究較少，僅開展了個別模型的試驗研究[2]。因此，本文針對以上情況，對艦艇提出雙殼結構，不但在近場接觸爆炸時能提高其抗爆抗損傷能力；在遠場非接觸爆炸時，對提高艦艇的抗沖擊能力也是一個很值得探討的問題。

2 水下爆炸沖擊環境仿真

2.1 計算模型

本文在傳統單層舷側結構的基礎上，借鑒中國船級社雙層舷側散裝貨船船體結構指南[3]，虛擬設計出了雙層艦艇舷側結構。同時，根據Y型舷側結構在FPSO中的應用[4]，也設計出Y型艦艇舷側結構。現在利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA建立出了以下5種有限元計算模型，在同一種工況條件下，分別對這幾種模型施以水下爆炸沖擊載荷，來比較各種結構抗沖擊性能的優劣。以下是對5種計算模型的闡述：

1) 傳統的單殼舷側結構，見圖1；

圖1 單殼結構艙段的幾何模型

2) 雙層舷側結構，即在單殼結構的基礎上，在舷邊又加一層內殼，見圖2；

圖2 雙殼結構艙段的幾何模型

3) 在有雙層舷側結構艙段的舷邊艙全都灌入水，見圖2；

4) 雙層舷側結構舷邊艙內有自由液面，即在舷邊艙內注入一半的水，見圖2；

5) 在舷邊艙間斷地設置了Y型舷側結構，見圖3。

圖3 Y型結構艙段的幾何模型

2.2 流場與炸藥工況的設置

本文5種模型的爆炸沖擊環境設為一定當量的TNT，炸藥距船中基線30 m，爆炸方位為45°，如圖4所示。

圖4 爆心位置示意圖

艦船舷外流場對艦船的沖擊響應具有特殊性和重要性。在無限域流場中進行艦船水下爆炸模擬分析時，要獲得較準確的艦船低頻響應，必須保證舷外流場足夠大。但是，在工程計算中，不可能將流場設置得足夠大，否則計算無法進行。綜合考慮計算結果精確性和計算的時間因素，本文取流場半徑是結構半徑的4倍[5，6]，如圖5所示。

圖5 艙段與流場的有限元模型示意圖

2.3 有限元計算流程

本文利用ANSYS/LS-DYNA軟件建立有限元艙段模型，整個模型都由板和梁構成，均采用Shell63殼單元和Beam161梁單元。模型建好后直接導入ABAQUS，并根據預設好的尺寸建立流場，由于流場較模型尺寸稍大，把流場劃分成三角形網格，并且在外邊緣網格較大，而靠近模型的內邊緣網格較小，和模型網格接近。然后把模型和流場裝配在一起，定義材料屬性、流固耦合、計算類型，針對水下爆炸產生高應變率現象的數值仿真，采用材料模式為Plastic-Kinematic模型，應變率的影響采用Cowper and Symonds模型描述，最后根據設置好的炸藥工況對艙段模型進行非線性的水下爆炸仿真計算。

3 5種計算模型的計算與分析

3.1 舷側部位抗沖擊性能比較

利用大型有限元軟件ABAQUS，通過數值仿真計算，得到了模型的水下爆炸沖擊環境。水下非接觸爆炸艦體的應力響應云圖如圖6所示。為了比較明顯地區分在這幾種結構狀態下沖擊環境的優劣，特在工況迎爆面的舷側部位采了若干點和若干單元，作為模型的典型考核部位。這些考核點和考核單元分布具有一定的規律，是在沿型深方向間隔相等距離的5條水平線上所取得，每條水平線上取若干個考核點和考核單元。

圖6 艙段模型的應力響應云圖

為了進一步分析比較這5種結構狀態在同一個工況作用下舷側沖擊環境中的變化規律，分別在5條水平線高取得這些考核點和單元的加速度峰值、速度峰值及應力峰值的平均值。本文對這幾種結構的計算結果進行了統計。在分析過程中，因變量取為無量綱加速度、無量綱速度、無量綱單元合應力、自變量取為無量綱高度。其中無量綱加速度Ao、無量綱速度Vo、無量綱單元合應力σo、無量綱高度Ho的表達式為：

(1)

圖8 無量綱加速度比較

圖9 無量綱速度比較

圖10 無量綱單元合應力比較

式中：A、V、σ表示考核點和考核單元的加速度峰值、速度峰值、單元合應力峰值；Ae、Ve、σe表示在單殼結構時爆炸載荷源點距結構表面最近的點的加速度峰值、速度峰值和單元合應力峰值；H表示考核部位的垂向高；D表示型深。圖8～圖10直觀地給出了這5種結構狀態在迎爆面舷側無量綱加速度、速度、單元合應力隨著考核部位高度不同的變化規律。從圖中可以看出，無論是加速度、速度還是單元合應力，特別是在水線以下的艦體位置，雙殼舷側結構的模型抗沖擊性能明顯要好于單殼舷側結構，尤其是雙殼時舷邊艙內設置了Y型結構板后，各項抗沖擊指數均要小于前4種結構模型。說明在舷邊艙的兩層殼之間有一定結構形式的板連接在一起時，在遠場非接觸爆炸時，抗沖擊能力有所提高。總的來說，雙殼結構的抗沖擊性能很明顯地體現出了優勢。

3.2 內部結構抗沖擊性能比較

由于一些主要的艙室和重要的設備都在艦艇的內部，所以，內部結構也是考核艦體抗沖擊性能的一個重要部位。下面列舉了1甲板、2甲板、3甲板和內底板4處位置。在它們所處的位置采取了若干點，分別得到了這些考核點和考核單元的加速度、速度、單元合應力的平均值來反應此位置的抗沖擊性能。以下是這些值在5種模型狀態下的比較情況。把采得的數據繪成柱形直方圖，從而能更加明確地顯示出在各種結構狀態下內部結構的沖擊環境變化規律，具體情況如圖11～圖13所示。

圖11 加速度直方圖

圖12 速度直方圖

圖13 單元應力直方圖

從上圖可以看出，當水下炸藥距離艦體較遠處爆炸時，由于所處位置的不同，艦體的內部結構比起舷側部位，在設置雙殼后其加速度、速度、單元應力比起單殼沒有太大的優越性。但是在雙殼的舷邊艙內設置了Y型結構板后，其內部結構的加速度、速度及單元應力稍有所下降，但是效果比起舷側部位沒有那么明顯。這說明了舷邊艙的雙層殼之間設置有一定結構形式的板連接起來對整個艙段的抗沖擊效果有一定的改善。

4 結 論

本文利用ANSYS/LS-DYNA軟件建立了傳統單殼結構、雙殼結構、雙殼結構的舷邊艙全都灌入水、舷邊艙有自由液面、舷邊艙間斷地設置了Y型結構板5種模型，并采用ABAQUS計算得到了5種模型艙段的沖擊環境，分析比較了在水下遠場非接觸爆炸時它們的加速度、速度和單元合應力的大小，通過計算可以得出以下結論：在遠場水下非接觸爆炸時，對單殼和雙殼兩種形式的艙段內部結構造成的沖擊響應幾乎沒有太大的差別，如果在雙殼的舷邊艙內設置了Y型結構板，艙段的沖擊響應會有所減弱。但是對于舷側結構，雙殼結構的沖擊響應明顯小于單殼結構，尤其是有Y型結構板的雙殼模型，各項抗沖擊指數均小于前4種結構模型，因此說明雙殼的艦體結構抗沖擊性能有很大的提高。

通過以上研究表明，雙殼結構在遠場非接觸爆炸較之單殼時其舷側抗沖擊性能有很大的改善，尤其是在雙殼的舷邊艙內設置了Y型結構板時，抗沖擊性能更好。

[1] 吉田隆. 二次世界大戰初期日本海軍艦船在炸彈攻擊下的損傷實例分析[M].船の科學，1990.

[2] 朱錫,張振華,劉潤泉，等.水面艦艇舷側防雷艙結構模型抗爆試驗研究[J].爆炸與沖擊，2004，24(2)：133-139.

[3] 中國船級社.雙舷側散裝貨船船體結構指南[M].上海規范研究所，2003,9.

[4] 范模.浮式生產儲油裝置淺水效應與Y型舷側結構的研究與應用[J].中國海上油氣,2004，16(5)：289-293.

[5] 姚熊亮，曹宇，郭君.水下爆炸時加肋雙層圓柱殼沖擊響應的統計分析[J].中國艦船研究，2006，1(1)：33-40.

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