水下爆炸作用下箱型梁艦船沖擊環境數值研究

吳子奇，王耀輝，呂 帥，劉翠丹

(哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江哈爾濱 150001）

水下爆炸作用下箱型梁艦船沖擊環境數值研究

吳子奇，王耀輝，呂 帥，劉翠丹

(哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江哈爾濱 150001）

艦船的沖擊環境研究是艦船抗爆炸抗沖擊設計的基礎。箱型梁作為新型甲板結構，勢必會從結構形式和總布置2個方面改變艦船剛度和質量的分布，從而改變了艦船的沖擊環境。本文通過數值仿真技術，建立箱型梁結構艦船水下爆炸模型，運用沖擊響應譜分析方法對箱型梁艦船結構沖擊環境進行研究，將箱型梁艦船沖擊環境特性與母型船進行對比，并將箱型梁內外沖擊環境特性進行描述，得出箱型梁－艦船沖擊環境特性規律，對箱型梁艦船抗水下爆炸沖擊設計有一定的參考意義。

水下爆炸;箱梁;沖擊響應譜;沖擊環境

0 引言

軍用船舶在執行任務過程中不可避免地會遭受導彈、魚雷、水雷等武器的威脅和打擊，隨著武器威力及制導技術的不斷更新換代，艦船被打擊命中的概率越來越大，且損傷效果也越來越嚴重，為此各國海軍在艦船抗水下爆炸性能方面開展了大量研究［1］。其中，艦船設備抗沖擊性能是反映艦船生命力的重要環節，是評估艦船設備抗沖擊能力的基礎。水面艦船及設備系統的抗沖擊能力直接關系到艦船戰斗力、生命力，沖擊環境作為抗爆抗沖擊設計的基礎，引起了越來越多的關注［2］。

艦船沖擊環境主要通過理論研究、試驗研究、數值研究等方法，由此開展了眾多研究［3－5］。由于艦船在水下爆炸作用下結構的沖擊響應為強非線性過程，其作用過程十分復雜，因此理論研究僅適用于求解簡單結構的動響應問題，不適合求解復雜的工程結構;而對艦船沖擊環境研究最有效、最真實的方法是實船試驗，歐美海軍強國大都以此來對艦船的沖擊環境進行研究，但實船試驗費用高且可操作性不強。然而數值計算方法克服了以上諸多不利因素，對艦船沖擊環境研究起到很大的促進作用。

隨著艦船抗水下爆炸性能研究的迅速發展，箱型梁作為新型結構形式已在現代艦船上得到應用，德國F－124“薩克森”級護衛艦(見圖1）及其姊妹艦等均采用箱型梁結構。箱型梁的應用不僅改變了艦船結構，同時也影響了艦船的抗沖擊響應特性。因此，研究箱型艦船的沖擊環境和結構抗沖擊響應特性，對促進艦船及設備系統的抗水下爆炸沖擊性能和提高艦船生命力起重要作用。

1 數值計算模型

根據已有研究成果［6］確定箱型梁具體布置形式，并以此為依據建立箱型梁艦船數值模型。以現有艦船模型為母型船，在其內部連續甲板上加裝3根尺寸近似的縱向箱型梁，使之貫穿船體并與強橫艙壁組成加強框架體系，其中2舷側箱型梁水平對稱布置于舷頂外板和甲板邊板處，中間箱型梁布置于原甲板龍骨處并位于艦船前、后大開口之間，如圖2所示，經模態分析驗證模型準確有效。

圖1 德國F－124“薩克森”級護衛艦Fig.1 Germany F－124 Saxon class frigates

圖2 箱型梁艦船示意圖Fig.2 Sketch of box-girder ship

經驗證，箱型梁艦船和母型船2種數值仿真模型一階和二階固有頻率較實船模型誤差均控制在較小范圍內以內，所以初步認為2種模型準確有效。

2 沖擊響應譜

沖擊響應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的最大響應隨振子固有頻率變化的圖譜［7］，最早由布洛特(Blot.M.A）于1963年提出。沖擊響應譜可用以直接估計某一沖擊引起的最大響應水平，評定它對結構或設備造成的影響。因此，它可以為沖擊隔離的設計與沖擊環境的模擬提供基本數據，是一種廣為接受的描述沖擊環境的方法［8］。沖擊響應譜是一種四維的響應圖譜，橫坐標表示頻率，縱坐標表示速度，與橫坐標成+45°坐標系表示相對位移，與橫坐標成－45°坐標系表示加速度。為規范沖擊環境操作，首先提取考核點的加速度歷時曲線，經濾波分析后，使用實驗室內部程序進行計算沖擊響應數據，最終畫出沖擊譜并讀出該考核點的譜位移、譜速度和譜加速度，流程如圖3所示。

圖3 繪制沖擊響應譜流程Fig.3 Process of drawing the shock response spectrum

3 工況設置

水下爆炸會產生沖擊波和氣泡載荷2個階段效應。氣泡載荷通常引起艦船結構低頻響應［9－11］，從而對艦船造成整體毀傷。沖擊波載荷對艦船破壞具有較大的復雜性和不確定性，在研究過程中通常采用沖擊因子來描述攻擊強烈程度［12－13］。沖擊因子與藥包質量和爆距及攻角有關，通常水面艦船采用龍骨沖擊因子KSF和殼板沖擊因子HSF兩種定義方式，根據考核對象不同，所選取的沖擊因子也不同 (見圖4）。

圖4 不同沖擊因子爆距示意圖Fig.4 Blasting distances of different shock factor

其中龍骨沖擊因子用于評估沖擊環境，而板殼沖擊因子用于評估艦船局部和總體結構強度。本文對應2種艦船結構毀傷等級，以30°攻角0.32和0.38龍骨沖擊因子為典型工況，采用箱型梁艦船整船為計算模型，以典型剖面的各層甲板為考核對象。

4 箱型梁艦船沖擊環境分析

箱型梁在艦船結構中的應用，勢必會從結構形式和總布置2個方面改變艦船剛度和質量的分布，從而改變艦船的沖擊環境特征。為研究箱型梁艦船沖擊環境特性，在沿船長方向分別選取0.25L，0.5L和0.75L三個典型剖面進行分析。在某特定工況下，選取考核剖面的各層甲板上若干考核點進行研究。如圖5所示，X軸正方向指向船尾，Y軸正方向指向為右舷，Z軸正方向為鉛垂向上。

4.1 兩種工況下橫向和垂向沖擊環境的比較

圖5 典型剖面示意圖Fig.5 Sketch of typical transverse sections

圖6 橫向與垂向沖擊環境比較Fig.6 Sketch of horizontal and vertical shock environment

選取0.5L為典型考核剖面，對不同工況下艦船結構橫向和垂向的沖擊環境進行研究。圖6為2種工況下箱形梁艦船結構響應沿船寬分布曲線。由圖可知，0.38沖擊因子作用效果較0.32沖擊因子作用效果顯著，約為其1～1.5倍;在同一工況下，垂向作用效果遠高于其橫向作用效果，約為其3倍。因此，在沖擊環境考核過程中，著重考核2種工況下垂向譜位移、譜速度和譜加速度。

4.2 原船與箱型梁艦船典型剖面比較

選取0.5L作為典型考核剖面，對不同工況下箱形梁艦船和母型船一甲板和二甲板的沖擊環境進行研究，圖7和圖8為2種工況下艦船結構響應沿船寬分布曲線。

圖7 箱型梁艦船與原船一甲板沖擊環境比較Fig.7 1st deck of box-girder ship and original ship shock environment

圖8 箱型梁艦船與原船二甲板沖擊環境比較Fig.8 2nd deck of box-girder ship and original ship shock environment

表1 箱型梁艦船與原船甲板沖擊環境平均值 (0.38工況）Tab.1 The decks shock environment average of box-girder ship and original ship

由圖7可知，一甲板由于布置了箱型梁，重量與剛度均有改變，使得箱型梁艦船譜位移和譜速度較原船有所增加，而甲板箱型梁處譜加速度較原船有所減小，且箱型梁艦船譜加速度沿船寬變化趨勢較原船光順平穩。由圖8可知，二甲板由于受一甲板影響，箱型梁艦船的譜位移和譜速度較原船有所增加，但變化趨勢大致相同，而譜加速度較原船變化不大，僅在受沖擊方向譜加速度有一定增加。由表1可知箱型梁艦船一、二甲板平均譜位移較原船分別增大52.5%和36.3%，平均譜速度較原船分別增大26.7%和22.2%，而一甲板平均譜加速度減小11%，二甲板平均譜加速度增大14.4%。

4.3 箱型梁艦船同一甲板不同剖面比較

取箱型梁艦船0.25L，0.5L和0.75L典型考核剖面，在0.38沖擊因子作用下，選取相對應考核點進行譜位移、譜速度和譜加速度比較，圖9和圖10為2種工況下艦船結構響應沿船寬分布曲線。

圖9 箱型梁艦船一甲板0.25L，0.5L與0.75L剖面比較Fig.9 1st deck 3 typical transverse sections shock environment of box-girder ship

圖10 箱型梁艦船二甲板0.25L，0.5L與0.75L剖面比較Fig.10 2st deck 3 typical transverse sections shock environment of box-girder ship

表2 箱型梁艦船各剖面甲板平均值Tab.2 The decks shock environment average of box-girder ship

由圖9可知，一甲板舷側箱型梁譜位移和譜速度沿船長方向變化幅度較小，譜加速度無明顯變化規律，而一甲板其他位置譜位移、譜速度和譜加速度沿船長方向變化幅度明顯。由圖10可知，二甲板譜位移、譜速度和譜加速度總體變化趨勢相似，二甲板0.25L剖面處譜位移、譜速度和譜加速度變化幅度均高于其他剖面。由表2可知箱型梁艦船一甲板最大平均譜位移在0.5L剖面處為2.6 cm，最大平均譜速度在0.75L剖面處為1.3 m/s，最大平均譜加速度在0.75L剖面處為108.4 g;箱型梁艦船二甲板最大平均譜位移、譜速度和譜加速度均在0.25L剖面處分別為3.2 cm，1.9 m/s和149.9 g。

4.4 箱子型船內部沖擊環境特性分析

箱型梁內部沖擊環境關系到箱型梁內部能否對縱向設置的管路、電纜提供保護。因此，選取箱型梁內底作為其內部沖擊環境的考核對象。為更好地研究箱型梁內部沖擊環境特性，將箱型梁內部和外部沖擊環境進行對比，依然在某特定工況下，以0.25L，0.5L和0.75L三個典型剖面進行分析研究。

4.4.1 0.25L剖面箱型梁內部沖擊特性

圖11 0.25L剖面箱型梁沖擊譜Fig.11 Shock response spectrum of typical transverse sections

表3 0.25L剖面箱型梁沖擊譜數據Tab.3 Shock response spectrum datum of typical transverse sections

圖11為箱型梁艦船0.25L剖面各位置箱型梁內、外部沖擊譜，其中數據對應表3。由表3可知，在0.25L剖面處，兩舷側箱型梁內部譜位移較外部分別降低7.4%和4.9%，譜速度較外部分別降低9.6%和15.5%，左舷側箱型梁內部譜加速度較外部提高4.9%，而右舷側降低23%，中間箱型梁內部譜位移、譜速度和譜加速度較外部分別提高2.8%，15.9%和54.7%。

4.4.2 0.5L剖面箱型梁內部沖擊特性

圖12 0.5L剖面箱型梁沖擊譜Fig.12 Shock response spectrum of typical transverse sections

表4 0.5L剖面箱型梁沖擊譜數據Tab.4 Shock response spectrum datum of typical transverse sections

圖12為箱型梁艦船0.5L剖面各位置箱型梁內沖擊譜，其中數據對應表4。由表4可知，在0.5L剖面處，兩舷側箱型梁內部譜位移較外部分別降低6.5%和8.2%，譜速度較外部分別提高5%和6%，譜加速度較外部分別提高76.8%和66.3%，中間箱型梁內部譜位移、譜速度和譜加速度較外部分別降低16.6%，21%和23.4%。

4.4.3 0.75L剖面箱型梁內部沖擊特性

圖13 0.75L剖面箱型梁沖擊譜Fig.13 Shock response spectrum of typical transverse sections

表5 0.75L剖面箱型梁沖擊譜數據Tab.5 Shock response spectrum datum of typical transverse sections

圖13為船0.7L剖面各位置箱型梁內、沖擊譜，其中數據對應表5。由表5可知，在0.7L剖面處，兩舷側箱型梁內部譜位移較外部分別降低14.1%和10.4%，譜速度較外部分別提高11.2%和12.7%，左舷側箱型梁內部譜加速度較外部降低3.5%，而右舷側提高18.8%，中間箱型梁內部譜位移、譜速度和譜加速度較外部分別降低17.7%，17.4%和13.5%。

5 結語

通過上述仿真實驗數據分析可知，箱型梁引起了船體質量增加和剛度分布的改變，使得相應的船體抗沖擊環境有所改變，具體體現在譜位移、譜速度和譜加速度的改變。總體來說，箱型梁艦船一、二甲板平均譜位移和譜速度較原船有所增大，而一甲板譜加速度較原船略有減小，二甲板譜加速度較原船有所增大;箱型梁艦船一甲板譜位移、譜速度和譜加速度幅值較二甲板大;箱型梁內部譜位移和譜速度較箱型梁外部略有所減小，內部譜加速度較外部有一定程度增加。綜上所述，箱型梁結構甲板形式改變了艦船原有的沖擊環境特性，一定程度上加劇了個別位置的結構抗沖擊響應特性，因此對各甲板上的儀器設備及箱型梁內部布置線纜、管路等，需要提高其抗沖擊標準，對相應位置及其連接結構作進一步優化。

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Numerical simulation study of box-girder ship shock environment

WU Zi-qi，WANG Yao-hui，LV Shuai，LIU Cui-dan
(College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

The research of naval ship shock environment of is the foundation of design of ship resistance to impact.Box-girder as a new deck form is bound to change the stiffness and quality from the structure and general arrangement，thus changes the ship shock environment.Through numerical simulation technology，the box-girder ship underwater explosion model is founded，the method of shock response spectrum analysis is used on the research of the ship shock environment，then the shock environment characteristics of the box-girder ship would be obtained，which is playing a guiding significance to the design of ship resistance to impact.

underwater explosion;box-girder;shock response spectrum;shock environment

O389

A

1672－7649(2013）03－0019－08

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.03.005

2012－07－09

國家安全重大基礎研究資助項目(613157020102）

吳子奇(1987－），男，碩士，研究方向為船舶與海洋結構物設計制造。