小水線面雙體船沖擊試驗響應測量方案

古 濱，岳永威，李夢陽

(1．西華大學建筑與土木工程學院，四川 成都610039;

2．哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江哈爾濱150001)

小水線面雙體船沖擊試驗響應測量方案

古 濱1，岳永威2，李夢陽2

(1．西華大學建筑與土木工程學院，四川 成都610039;

2．哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江哈爾濱150001)

基于以數值仿真結果預報指導試驗方案的思路，對典型小水線面雙體船結構進行實體建模，運用聲固耦合算法模擬了其在水下爆炸試驗工況下的沖擊響應，總結得出影響試驗沖擊響應數據的各關鍵爆炸參數，包括爆炸攻角、爆炸藥量、爆炸方位及爆炸水深變化時雙體船沖擊響應分布規律，為相關雙體船型抗沖擊試驗測點布置及響應趨勢提供預報和參考。

抗沖擊試驗;雙體船;沖擊響應;響應規律;測點布置

0 引言

水面艦船抗爆抗沖擊生命力技術主要研究手段主要包括理論解析、數值仿真以及實船或模型試驗3種方法［1～3］。理論解析法可針對一些簡單結構 (梁、薄板)進行分析，對于大型復雜結構并不適用;數值仿真由于無法完全客觀真實的模擬艦船沖擊響應的實際物理環境，計算結果可對艦船設計起到預報預估作用，并不能完全取代艦船真實抗沖擊響應;實船及模型試驗所測得的結果真實可靠，但經費昂貴，試驗難度大。鑒于此，我國海軍目前主要采用數值仿真與試驗相結合的方法，用數值指導試驗方案設計，用有限的試驗數據修正數值方法，這也是發展中國家海軍較為普遍的研究技術路線。

艦船遭受攻擊后的沖擊響應是研究其抗爆性能的關鍵，如何在有限試驗中合理布置測點并采集到有意義的沖擊響應數據，是船體抗沖擊試驗方案中的重要環節之一［4～5］。對此問題，目前國內學者鮮有研究。小水線面雙體船作為一種新型的高性能水面艦船，由于其甲板面積寬、艙容大、具有良好的快速性、操縱性等優點，已經逐漸成為海軍裝備系統的重要船型之一，對其抗爆性能的研究也提上日程。因此，本文將對典型雙體船結構進行有限元建模，使用聲固耦合算法模擬水中沖擊波載荷與結構的相互作用，計算小水線面雙體船在不同水下爆炸工況下的沖擊響應，分析各爆炸參數對其沖擊響應規律的影響，為相關船型的抗沖擊試驗數據測量方案設計提供參考依據。

1 計算模型

基于工程圖紙利用通用程序Ansys對典型雙體船進行實體建模。有限元模型主要用到的是殼單元和梁單元，殼單元主要用于模擬船體上的甲板、舷側板、艙壁板和底板等，梁單元主要用于模擬結構的中橫梁、加強材、肋骨框架、甲板縱桁、艙壁桁材和船底縱桁等構件。此外，在對艦船進行水下爆炸數值分析時，舷外流場將直接對艦船產生重力、阻尼和慣性等方面的影響，因此合理建立舷外流場模型也十分重要。根據相關文獻的結論［6］，本研究取流場半徑是結構半徑的4倍，圖1為雙體船及其舷外流場有限元模型。

圖1 雙體船及其流場有限元模型Fig.1 Catamaran and flow field finite element model

雙體船在水下爆炸載荷后將于流場一起產生振蕩運動，因此必須對與流場接觸的雙體船結構進行邊界條件的設定，從而確保數值實驗結果的精確性。本文通過ABAQUS中的INTERACTION選項菜單中的*TIE關鍵字，分別定義結構與流場接觸的部位為主面，相應流場的面為從面，對應于ABAQUS軟件中的綁定約束邊界條件，即將主從面束縛在一起。此時，在從屬面上的每個節點被約束為與在主控面上距它最接近的點具有相同的運動，所有平移和轉動自由度本約束，可以客觀地描述結構與沖擊波作用的物理環境。

2 試驗工況模擬

藥包在水中爆炸后首先產生沖擊波，接著是氣泡脈動壓力，關于沖擊波階段和氣泡膨脹與收縮階段的壓力模擬，Geers and Hunter已經得出了很好的估算公式，本文就基于Geers and Hunter的載荷模型［7］，計算并確定ABAQUS中的載荷模擬曲線。為了更加全面考核雙體船在水下爆炸載荷作用下的動響應，本節利用聲固耦合算法［8］，設定了大量不同工況對雙體船承受爆炸載荷的結構響應進行數值計算，系統全面地分析雙體船典型部位的動響應，總結出結構的沖擊響應規律，為沖擊試驗的響應測點布置方案提供依據。圖2為工況設置示意圖，具體設置參數如表1所示。

圖2 雙體船設計工況示意圖Fig.2 Catamaran designed condition diagram

表1 雙體船抗沖擊試驗工況說明Tab.1 Ctamaran anti-shock experiment condition explain

3 計算結果分析

3.1 爆炸藥量對雙體船沖擊響應測點布置的影響

本節基于工況M1～M4的計算結果，以主甲板為參考對象，總結沖擊響應隨藥包質量變化的規律曲線，這里的4種工況的藥包位置均為船體正下方，且爆距均為50 m，藥量分別為175，200，250和390 kg TNT當量。主甲板考核測點在4種工況下的Mises應力響應時歷曲線，如圖3所示。

圖3 各工況下主甲板應力響應時歷曲線Fig.3 Main deck stress response time history curve of each condition

由圖3可看出，結構的應力響應隨著藥包質量的增大而愈發劇烈，對同一節點的考察其應力時歷曲線的形狀大致相同，因此可用各曲線的應力響應峰值表示其沖擊響應。圖4給出了各工況下測點的應力峰值隨藥量的變化曲線。由圖中可以看出，隨著藥量的增加，船體結構的沖擊響應隨爆炸藥量似呈線性規律遞增。

圖4 雙體船沖擊響應隨爆炸藥量變化曲線Fig.4 Catamaran shock response changed curve with explosion dosage

3.2 爆炸水深對雙體船沖擊響應測點布置的影響

為了更形象地說明水下藥包爆炸深度對船體沖擊響應的影響，本節利用M5～M8工況的計算結果，以雙體船潛體的底部外板一測點為參考對象，給出其4種工況下的Mises應力相應時歷曲線，如圖5所示。

圖5 各工況潛體應力響應時歷曲線Fig.5 Subbody stress response time history curve of each condition

由圖5可以看出，隨著藥包深度的增加，船體結構的沖擊響應減弱，通過這點可以說明沖擊波載荷對船體的損傷程度隨著爆距的減小而增大。由于本文設置的工況均屬于中遠場爆炸，爆炸深度對船體的影響通過典型部位節點的時歷曲線只能給出定性的結論。為了進一步說明爆炸水深對沖擊響應的影響，本節給出潛體底部測點的譜速度隨爆炸水深變化曲線如圖6所示。從圖中可看出，隨著爆炸深度的增加，潛體底部結構的沖擊響應隨爆炸水深似呈拋物線規律衰減。

圖6 雙體船沖擊響應隨藥包水深變化曲線Fig.6 Catamaran shock response changed curve with explosion water depth

3.3 爆炸攻角對雙體船沖擊響應測點布置的影響

當炸藥在船下不同攻角處發生爆炸時，船體的響應會發生很大差異。藥量為250 kg的炸藥在中橫剖面下45°攻角處爆炸時，船體的動態響應過程如圖7所示，圖為Von.Mises應力分布云圖。

圖7 爆炸攻角45°時船體動態響應過程Fig.7 Hull dynamic response process under explosion attack angel 45°

圖7(a)中，t=0.03 s時，沖擊波到達船體開始出現局部響應;圖7(b)中，t=0.09 s時，船體呈現出整體響應的特征;圖7(c)中，t=0.21 s時，船體近似處于平衡狀態，應力響應值較小，t=0.33 s時，船體振動響應變大，Mises應力的最大值出現在船舯右下潛體與支柱交界處，船體左片體的對應位置的應力與之相比較小，這與藥包位于船體正下方時不同，攻角的存在導致的船體響應顯示出非對稱性。

本節基于M9～M12工況的計算結果，在雙體船潛體底部位置分別選取20個單元并記錄其Mises應力值，然后用其平均值來表現潛體底部結構的平均應力，總結雙體船沖擊響應隨爆角的變化規律，如圖8所示。從圖中可看出，船體結構的沖擊響應隨著爆角的增大而增大，在90°爆角時達到最大。因此在進行艦船極端工況沖擊響應數據采集時，可將試驗方案取為90°爆炸攻角，即藥包位于船體正下方。

圖8 雙體船沖擊響應隨爆炸攻角變化曲線Fig.8 Catamaran shock response changed curve withexplosion attack angel

3.4 爆炸方位對雙體船沖擊響應測點布置的影響

本節基于工況M13～M19的計算結果，總結了藥包位置沿船長變化時雙體船沖擊響應的規律，具體做法是選取計算結果中的典型位置的20個單元，考察其應力值，并且將其平均應力值作為該典型位置的應力，繪制曲線。定義無量綱參數d為爆心到船中的距離與船長之比。圖9給出了平均應力隨d值的變化曲線。

式中:r為爆心到船中的距離，m;L為船長，m。

圖9 雙體船沖擊響應隨爆炸方位變化曲線Fig.9 Catamaran shock response changed curve with explosion place

從圖9曲線可以看出:當d在0～0.2范圍內變化時，結構應力隨d的變化而遞減的趨勢比較明顯;而當d在0.2之后，應力變化不太明顯。因此在進行沖擊響應數據采集時，當爆距距船中距離在1/5船長內，沖擊響應點應該多取，而當爆距距船中距離在1/5～1/2船長內，沖擊響應測點考核點可以少取。

4 結語

本文通過對典型小水線面雙體船進行實體建模，利用數值仿真手段模擬了其在水下爆炸試驗工況下的沖擊響應，通過總結影響試驗沖擊響應數據的各關鍵爆炸參數，包括爆炸攻角、爆炸藥量、爆炸方位及爆炸水深變化時雙體船沖擊響應規律，為相關雙體船型抗沖擊試驗測點布置及響應趨勢提供預報和參考，主要得出以下結論:

1)雙體船結構的沖擊響應隨爆炸藥量的增加似呈線性規律遞增;

2)隨著爆炸水深的增加，雙體船結構的沖擊響應似呈拋物線規律衰減;

3)雙體船結構的應力隨著爆炸攻角的增大而增大，在90°爆角結構響應最為激烈，因此在進行艦船極端工況沖擊響應數據采集時，可將試驗方案取為90°爆炸攻角;

4)當爆炸方位沿船長變化時，爆距距船中距離在1/5船長內，沖擊響應變化趨勢明顯，測量點應該多取，而當爆距距船中距離在1/5～1/2船長內，沖擊響應變化不大，測點可以少取。

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Research on measuring scheme of shock response in small waterline area catamaran anti-shock experiment

GU Bin1，YUE Yong-wei2，LI Meng-yang2
(1．College of Architecture and Civil Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China;
2．College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China)

Based on the idea of numerical simulation results directing the experiment scheme，typical small waterline area catamaran entity model was established，and the shock response of underwater explosion experimental condition was simulated by acoustic-structure coupling method．Then each explosion key parameter which mainly influence the shock response results besides explosion attack angle，explosion dosage，explosion place and explosion water depth was summarized，catamaran shock response distribution changed law with the variation of each explosion parameter was revealed，it can be the significant forecast and reference for measuring points setting and shock response trend of relevant catamaran hull anti-shock experiment．

anti-shock experiment;catamaran;shock response;response law;measuring points setting

古濱(1961－)，男，副教授，研究方向為基礎力學。

U661．44

A

1672－7649(2013)05－0025－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.05.006

2012－05－25;

2013－01－11

牽引動力國家重點實驗室項目資助(TPL1108)