多發武器攻擊時水面艦船的沖擊環境研究

李 青 張阿漫 李 佳

1中國艦船研究設計中心，上海201102 2哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

多發武器攻擊時水面艦船的沖擊環境研究

李 青1張阿漫2李 佳2

1中國艦船研究設計中心，上海201102 2哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

采用有限元方法對水面艦船的沖擊環境進行分析，在建立整船有限元模型的基礎上，對藥包設定了不同的爆炸距離和爆炸方位等多種工況，分別對艦船遭受單發武器攻擊、兩發武器同時攻擊時的情況進行分析，探討了結構的響應隨著爆距變化的規律，并采用無量綱的方法進行了數據處理，使之能夠在更多的水面艦船上應用。研究結果表明，兩發武器同時攻擊時的船體沖擊響應可近似等于單發武器各自攻擊時的船體沖擊響應的代數和。對于水面艦船抗沖擊設計具有一定的借鑒意義，對于水面艦船的生命力評估也具有一定的工程價值。

艦船；沖擊試驗；有限元模型；武器攻擊

1 引言

在現代海戰中，艦船遭受武器攻擊［1］的主要沖擊源有3個：第一，接觸性爆炸，如遭受導彈、激光炸彈直接攻擊，這種類型的攻擊往往會造成局部船體損毀及艦用系統、設備損毀；第二，水中非接觸性爆炸，如遭受魚雷、水雷、深水炸彈的沖擊，這種類型的沖擊又可分為近場爆炸和遠場爆炸，近場爆炸容易造成船體及艦用系統、設備的破壞，遠場爆炸容易造成整個船體結構的變形、屈曲甚至破損，內部設備會發生大范圍的沖擊破壞失效，導致艦船喪失機動能力或作戰能力；第三，自身武器發射時后坐力造成的沖擊，也會影響到艦載設備的正常運轉。從這3種沖擊方式來看，艦船遭受水下爆炸的非接觸性爆炸的概率比直接命中的概率大，也是最危險的。艦船遭受水下爆炸的非接觸性爆炸時，可以依據爆距R與炸藥半徑a的比值來劃分屬于近場爆炸還是遠場爆炸，一般認為1＜R／a＜30的范圍內，即相當于火球區和火球區外圍，屬于近場爆炸，在30＜R／a＜110的范圍內，屬于中場爆炸，當R／a＞110時，可以認為屬于遠場爆炸［2］。文中針對不同爆炸距離和爆炸方位，分別對結構施加單發武器和多發武器攻擊，開展結構的抗沖擊研究。

2 模型說明

本文應用國際上通用的有限元軟件ABAQUS中的聲固耦合算法，模擬分析艦船遭受水下爆炸載荷作用后的結構響應［3］。在進行艦船水下爆炸數值計算的過程中，建立精確的有限元模型很重要，有限元模型的精確與否直接影響分析結果。在用ABAQUS分析艦船水下爆炸時，由于ABAQUS的前處理功能相對比較弱，用它建立完整的艦船有限元模型十分困難。這時可以從其他專業建模軟件（如Pro／E、AutoCAD）中導入，或者在其他前處理軟件（如HYPERMESH）中劃分網格后直接用里面的ABAQUS模板生成＊.INP文件。如果有已經建好的其他有限元模型也可以自己編程轉換。本文是利用編程手段將ANSYS下已有的模型轉成ABAQUS下的模型。

在進行艦船水下爆炸模擬的過程中，網格劃分的因素起到了關鍵的作用［4］。在實際工作當中，往往需要憑借使用者的經驗來判斷網格的密度。本文認為如果使分析結果和實驗比較吻合，結構以及結構周圍的流場一般在一個沖擊波波長內至少有10～25個網格，而外部流場在一個沖擊波波長之內大約有1～5個網格即可［5］。對于大模型來說，如果流場網格太細，需要耗費大量計算時間。為了節省計算時間又能夠基本保證計算精度，通常在流固交接面附近劃分高精度網格，而其余流場網格可以略粗一些［6，7］。這樣，艦船外部流場就被分成了兩層，如圖1所示。

圖1 I型艦的有限元模型網絡劃分示意圖

在圖2所示的有限元模型中，I型艦的坐標系統為：中縱剖面、中橫剖面，基平面交點為坐標原點，X軸向船首為正，Y軸向左舷為正，Z軸垂直向上為正。其有限元模型如圖2所示。

圖2 I型艦實船有限元模型

3 船體沖擊響應數據處理方法

3.1 沖擊譜

沖擊環境的沖擊譜是一種帶有一定阻尼或無阻尼單自由度振子對沖擊激勵作用的最大響應隨振子固有頻率變化的圖譜。在沖擊激勵作用期間，最大響應峰值隨振子固用頻率變化的圖譜稱為“初始譜”［8－10］。在沖擊激勵作用結束后，最大響應峰值隨振子固有頻率變化的圖譜稱為 “剩余譜”。在艦船沖擊動響應的分析計算中，常用四維坐標描述沖擊譜，用譜速度作為縱坐標，頻率作為橫坐標，與橫坐標成＋45°和－45°的坐標系，分別表示相對譜位移和譜加速度。對沖擊譜曲線進行擬合即得到實際應用中常用的設計沖擊譜，圖3所示即為典型的設計沖擊譜。

圖3 設計沖擊譜

3.2 沖擊響應的無量綱化

為了尋找水面艦船結構沖擊響應隨著沖擊因子的變化規律，以及沖擊響應在艦船結構上的分布規律，需要將譜速度和譜加速度無量綱化。

3.2.1 譜加速度的無量綱化

首先，定義一個特征加速度，為了便于分析，給出入射波與船體表面結構的相互作用的簡圖，如圖4所示。

圖4 入射波與船體表面結構的相互作用

圖4中，pi為沖擊波入射壓力；pr為沖擊波入射到船體表面后發生反射形成的反射壓；α為入射角；φ為船體表面在入射點處與水平方向的夾角。用來粗估水面艦船底艙部位垂向沖擊輸入之簡化設計譜有關參數的理論算式為：

式中，Ae為船體的特征加速度；Pm為結構表面處的壓力峰值；As為船底有效承載面積；φ為船底外表面與水平方向的夾角，如圖4所示。

則有

式中，A′為船底板面積，m2；Aw為水線面面積，m2；A′w為水線面有效承載面積，m2；η為有效承載面積比，它的計算式為：

其中帶板半寬可以計算為：

式中，Zδ為無量綱參數，其值按下式計算。

則特征加速度可以表示為：

對譜加速度進行分析時，為了將加速度無量綱化，將譜加速度與特征加速度的比值稱為無量綱加速度。無量綱加速度定義式可以寫為：

3.2.2 譜速度的無量綱化

與加速度預測公式相類似，水面艦船底艙部位特征速度的粗估公式：

同理，可以用特征速度Ve將譜速度無量綱化，無量綱譜速度定義為：

4 數值結果

4.1 單發武器攻擊的船體沖擊環境

橫坐標無量綱坐標x定義為：

式中，L為船長；X為船體各分段的縱向坐標，船首方向為正。爆炸工況分艏部爆炸、中部爆炸和艉部爆炸，藥量為1 000 kg，爆炸攻擊角度為90°，爆距分5 m、30 m和60 m，海底反射系數取為1.0。按照3.2.2節中的式（6）、式（8）將譜速度和譜加速度進行無量綱化得到無量綱譜速度V和無量綱譜加速度A，作出曲線分析規律。無量綱化的特征譜速度和特征譜加速度選為藥包在船底正下方一定距離處爆炸時，迎爆點的譜速度和譜加速度。在以后的分析中，使用的均為V和A。

圖5分別給出了5 m、30 m和60 m工況下艦船的無量綱譜速度和無量綱譜加速度沿船長的分布曲線。

從圖5可以看出，藥包在艏部爆炸時，最大無量綱譜速度和譜加速度值都出現在船首附近，位于艏部1／4船長處；在中部爆炸時，最大無量綱譜速度和譜加速度值都出現在船中附近；在艉部爆炸時，最大無量綱譜速度和譜加速度值都出現在船尾附近，位于船長的3／4處。而離爆心越遠，結構的沖擊響應越小。可以認為：對于近場爆炸，沖擊波引起的結構響應大都體現在局部位置處，局部效應比較明顯。距離爆心很近的部位受沖擊最嚴重，遠一些的部位沖擊響應很快衰減。艏部由于相對質量比較輕，結構剛度大，因此艏部結構的沖擊響應相比中部和艉部都出現了較大的現象。

圖5（b）30 m爆炸距離時無量綱譜速度V沿船長的分布

圖5（c）60 m爆炸距離時無量綱譜速度V沿船長的分布

圖5（d）5 m爆炸距離時無量綱譜加速度A沿船長的分布

圖5（e）30 m爆炸距離時無量綱譜加速度A沿船長的分布

圖5（f）60m爆炸距離時爆炸工況無量綱譜加速度A沿船長的分布

4.2 兩發武器同時攻擊時的船體沖擊環境

船體結構由于靜水壓力產生的預應力很小，可以忽略不計，計算時只考慮爆炸引起的沖擊波載荷。艦船遭到雙發武器攻擊的情況，無量綱坐標X的定義、特征速度和特征加速度的取值與3.2節中相同。爆炸工況分艏艉爆炸（船首和船尾各一發武器同時爆炸）、艏中爆炸和中艉爆炸，每發武器的藥量為1 000 kg，爆炸攻擊角度為90°，爆距分5 m、30 m和60 m，海底反射系數取為1.0。圖6分別給出了5 m、30 m和60 m工況下艦船的無量綱譜速度和無量綱譜加速度沿船長的分布曲線。

圖6（a）5 m爆炸距離時無量綱譜速度V沿船長的分布

圖6(b)30m爆炸距離時無量綱譜速度V沿船長的分布

圖6顯示無量綱譜速度V曲線和無量綱譜加速度譜加速度A曲線在爆心位置處有明顯的凸起。艏中爆炸時，結構的無量綱譜速度峰值和無量綱譜加速度峰值出現在艏部和中部的對應距離結構最近處；艏艉爆炸時，結構的無量綱譜速度峰值和無量綱譜加速度峰值出現在艏部和艉部的對應距離結構最近處。中艉爆炸時的情況也比較類似。由于藥包數目增加，船上沖擊響應增加，但由于藥包分布距離較大，在遠場爆炸和中遠場爆炸工況中，船上沖擊響應趨于均勻化。這說明對于近場爆炸，沖擊作用表現為對船體的局部作用，藥包爆炸引起結構的沖擊響應體現為局部比較劇烈，其余位置的響應比較緩和。

4.3 單發武器爆炸工況和兩發武器同時爆炸工況的對比分析

所有的兩發武器同時爆炸工況均可看作由兩個單發武器爆炸工況組合而成，單發武器和兩發武器之間的關系如下。

1）5 m爆距的爆炸工況

s_gk01（艏艉爆炸）＝d_gk01（艏部爆炸）＋d_gk03（艉部爆炸）；

s_gk02（艏中爆炸）＝d_gk01（艏部爆炸）＋d_gk02（中部爆炸）；

s_gk03（中艉爆炸）＝d_gk02（中部爆炸）＋d_gk03（艉部爆炸）

2）60 m爆距的爆炸工況

s_gk19（艏艉爆炸）＝d_gk19（艏部爆炸）＋d_gk21（艉部爆炸）；

s_gk20（艏中爆炸）＝d_gk19（艏部爆炸）＋d_gk20（中部爆炸）；

s_gk21（中艉爆炸）＝d_gk20（中部爆炸）＋d_gk21（艉部爆炸）。

以上只給出了6組典型工況的組合形式，對于兩發武器同時在艏部或中部、艉部爆炸的工況，同樣可以由上述組合得到。無量綱坐標X的定義、特征速度和特征加速度的取值與3.2節中相同。圖7給出了的幾個典型工況的對比圖。圖7系列中的每幅圖中的4條曲線分別是兩發武器同時爆炸的無量綱譜速度V（無量綱譜加速度A）隨X的變化曲線、相應的兩個單發的V－x（A－x）曲線、兩個單發代數和的V－x（A－x）曲線。

圖7中單發武器攻擊產生的無量綱譜速度V（無量綱譜加速度A）值的代數之和曲線與雙發武器同時攻擊產生的無量綱譜速度V（無量綱譜加速度A）曲線吻合較好，在結構上的分布規律也基本相同。圖7僅給出了4組典型工況的數值結果，對兩發武器同時在艏部或中部、艉部爆炸的工況，也得到類似結果。通過對各種雙發武器攻擊工況與單發武器組合攻擊工況進行數值模擬分析與對比，可近似認為兩發水下武器同時爆炸的無量綱譜速度（譜加速度）等于相應兩個單發值的代數和。

5 結論

文中對無量綱譜速度和譜加速度的計算方法和理論進行了闡述，并利用該方法計算了典型水面艦船在遭受不同工況的水下爆炸時的沖擊響應，對比各種工況及總結規律，為工程設計和計算提供參考。經數值模擬計算，得出以下結論。

1）單發近場爆炸中，爆心位置對船上沖擊響應的分布影響顯著，離爆心越近沖擊響應越大，隨著離爆心距離的增加，沖擊響應迅速減小。遠場爆炸中，爆心位置對船上沖擊響應的分布影響很小，船上各部分的響應趨于均勻化。所以，近場爆炸沖擊響應具有局部性，遠場爆炸沖擊響應具有整體性。

2）兩發武器爆炸的工況中，由于藥包數目增加，船上沖擊響應增加，但由于藥包分布距離較大，在遠場爆炸和中遠場爆炸工況中，船上沖擊響應趨于均勻化。

3）兩發武器爆炸的沖擊響應無量綱譜速度均值及無量綱譜加速度均值與相應兩個單發工況之和的大小關系不定，但相差較小，并且兩發武器爆炸的無量綱譜速度均值、無量綱譜加速度值在結構上的分布大致也可由兩個單發武器工況相加得到。因此，可以通過兩個單發武器攻擊產生的沖擊環境的代數和來預測兩發武器同時爆炸產生的沖擊環境。

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Structural Response of Warship under Attack of Multiple Weapons

Li Qing1Zhang A－man2Li Jia2
1 China Ship Development and Design Center，Shanghai 201102，China 2 School of Shipbuilding Engineering，Harbin Eng Univ，Harbin 150001，China

By employing the finite element method，this paper analyzed the impulse environment of a surface warship，when it was subjected to attacks，and discussed the laws of the impulse response.Based on the finite element model of the warship，a lot of cases of different standoff distances and attack directions were set up to calculate its anti－shock performance.Two different conditions were calculated and analyzed：under single attack and under two simultaneous attacks.The data were treated non－dimensionally，which made it available for other surface ships.The results show that the impulse response of the surface ship under two simultaneous attacks approximately equals the algebraic sum of the impulse responses of the surface ship under two seperate attacks.This paper gives some insights into the design of surface ships for improving anti-shock performance，and it is of engineering value in survivability assessment of surface ships.

warship；shock test；Finite Element Model；weapon attack

文獻標志碼：A 文章編號：1673－3185（2009）06－15－06

2008－09-17

李 青（1981－），男，碩士研究生，助理工程師。研究方向：船舶工程。E-mail：lirise98＠yahoo.com.cn

張阿漫（1981－），男，博士后，副教授。研究方向：艦船結構動力學，水下爆炸。E-mail：amanzhang＠gmail.com