載荷下縱向箱型梁橫隔板設計

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(1.海軍駐武漢七〇一所軍事代表室，武漢 430064;2.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

德國海軍F124護衛艦采用在強力甲板上設置縱向箱型梁的防護結構型式，可以抵擋150 kg TNT當量炸藥的攻擊，與傳統艦船結構形式相比，有效地提高了艦船的防護能力。有關研究人員對縱向箱型梁的防護機理進行了深入的研究，驗證了縱向箱型梁可有效提高艦船剩余強度[1-3]。

縱向箱型梁結構作為一種新型的防護結構型式，在進行結構設計時，不僅要滿足常規結構強度的要求，還要滿足艦船防護能力的要求。在箱型梁內部適當設置橫向的隔板，不僅有利于提高甲板板架的局部強度，還可以提高縱向箱型梁面板和腹板的穩定性，從而提高縱向箱型梁的防護能力。本文采用流固耦合算法，對不同形式和厚度橫隔板的縱向箱型梁在爆炸載荷下的結構響應進行計算分析，為縱向箱型梁橫隔板的結構設計提供依據。

1 計算原理

采用動態非線性有限元程序MSC.Dytran數值計算模擬爆炸載荷作用下箱型梁板架結構的動態響應過程。MSC.Dytran軟件中提供了拉格朗日和歐拉兩種求解器，既能模擬結構，又能模擬流體，拉格朗日網格和歐拉網格可進行耦合，以分析結構與流體間的相互作用[4-5]。

在計算時，箱型梁板架采用拉格朗日單元模擬，空氣和炸藥均采用歐拉單元模擬，對箱型梁內部空間和外部空間分別建立不同的歐拉域進行描述，并通過一般耦合定義歐拉域和拉格朗日單元間的流固耦合作用[6]。通過定義拉格朗日單元材料的失效準則，單元失效后不再參與計算[7]。歐拉域的計算采用精確黎曼求解器，該求解方法在空間上具有二階精度。

2 有限元模型

2.1 結構簡化和有限元模型

圖1為設置有縱向箱型梁艦船強力甲板的橫剖面示意圖，為簡化計算，只取中間箱型梁作為計算分析對象，簡化后模型見圖2。

圖1 強力甲板橫剖面示意

圖2 簡化計算模型橫剖面示意

橫隔板結構分為無開孔和有開孔兩種形式，圖3為兩種形式的有限元模型。

圖3 橫隔板板架有限元模型(面板隱藏)

2.2 材料本構關系

結構材料選用高強度鋼，密度7 800 kg/m3,彈性模量210 GPa，泊松比為0.3,屈服強度為440 MPa，硬化模量4 GPa，最大塑性應變為0.08。采用Cowper-Symonds模型考慮應變率的影響，

(1)

式中:σd——動應力;

σ0——靜應力;

D,P——材料常數，分別取為40.5和5.0[8]。

用高能高壓球形氣體模擬TNT炸藥，滿足γ狀態方程：

p=(γ-1)ρ·e

(2)

初始狀態下炸藥密度ρd=1 600 kg/m3，比內能ed=4.2×106J/kg。空氣在初始狀態下的密度為1.25 kg/m3，比內能2.1×105J/kg。

3 計算結果與分析

為比較不同形式和厚度的橫隔板在爆炸載荷下對箱型梁抗側向變形能力和對箱型梁內部管線保護能力的影響，分別設置不同的爆炸工況。

3.1 爆炸沖擊波的傳播

炸藥爆炸以后，產生的沖擊波由炸藥中心向周圍傳播，當沖擊波到達箱型梁或甲板板等結構后，沖擊波與結構產生流固耦合作用，沖擊波對結構產生沖擊破壞作用。不同的炸點位置有不同的沖擊波傳播過程，以炸點位置在箱型梁正上方為例，圖4給出了沖擊波的傳播過程。

圖4 沖擊波傳播示意

從沖擊波的峰值來看，在沖擊波到達箱型梁面板時約為10.50 MPa，而在到達甲板邊緣時降低到約1.41 MPa。

3.2 橫隔板對縱向箱型梁抗側向變形能力的影響

為了研究橫隔板對箱型梁板架抵抗側向變形能力的影響，選擇裝藥位置在箱型梁右上方(如圖5所示)作為計算工況，分別對無開孔和有開孔橫隔板的箱型梁板架進行計算。選擇評價指標為箱型梁一側頂點(如圖5中的A點)的側向位移以及該側箱型梁腹板底部角點(如圖5中的B點)的垂向轉角，其中位移和轉角以沖擊波傳播方向為正。

圖5 炸點及響應輸出點示意

圖6 不同形式和厚度橫隔板箱型梁側向位移

圖7 不同形式和厚度橫隔板箱型梁轉角

圖6和圖7給出了箱型梁板架不同板厚和不同形式橫隔板的結構響應結果曲線，計算結果分析如下。

1)橫隔板厚度越大，縱向箱型梁抵抗側向變形的能力越強，箱型梁的轉角和側向位移都隨橫隔板厚度的增加而減小。但隨著橫隔板厚度的逐漸增加，箱型梁側向位移和轉角減小的速度也隨之減小，抵抗側向變形能力的提高逐漸減小；

2)在板厚相同時，橫隔板開孔后其強度會有所降低，箱型梁抵抗側向位移的能力有所下降，在板厚較小時表現尤為明顯。因此當橫隔板開孔時，需要對橫隔板板厚進行增加以保證足夠的強度。

3.3 橫隔板對縱向箱型梁內部管線保護能力的影響

箱型梁內部空間可以用于布置電纜管路，因此需要對開孔橫隔板的變形進行控制，以保證對電纜管路的保護作用。為了研究橫隔板對箱型梁內部管線保護能力的影響，選擇裝藥位置為箱型梁正上方以及箱型梁右上方為計算工況，對開孔橫隔板進行計算，見圖8、9。以橫隔板開孔直徑的最小值作為評價指標，直徑越小，對電纜管路的防護能力越差。

圖8 正上方炸點示意

圖9 右上方炸點示意

圖10 爆炸載荷作用下橫隔板開孔最小直徑

圖10給出了仿真計算的結果，結果分析如下。

1)在給定爆炸工況下，當橫隔板厚度較小時(t=2 mm、4 mm、6 mm)，在沖擊波作用下，橫隔板發生劇烈的擠壓變形，見圖11，并有部分失效單元，意味著可能會有碎片產生，對內部電纜管路的保護不利；當橫隔板厚度較大時(t=12 mm、16 mm)，橫隔板并未產生明顯的變形，可以對內部電纜管路提供有效的保護。

圖11 甲板正上方炸點橫隔板變形圖

2)在給定爆炸工況下，隨著橫隔板厚度增加，表明橫隔板的變形減小。增加橫隔板厚度可以提高對內部電纜管路的保護能力。

3)在橫隔板厚度相同時，由于正上方炸點距離箱型梁較近，作用在箱型梁上的沖擊載荷大于右上方炸點工況，正上方炸點工況橫隔板變形明顯大于右上方炸點工況。因此在進行橫隔板抗爆能力設計時需要考慮設計要求的炸藥量和炸點距離。炸藥量越大、炸點距離越近，需要的橫隔板厚度越高。

4 結論

1)橫隔板厚度對箱型梁抗爆防護能力有明顯影響，增加橫隔板厚度可以提高箱型梁的抗爆能力；

2)對于一定的爆炸載荷，當橫隔板厚度達到一定數值后，繼續增加橫隔板厚度對箱型梁抗爆能力的提升不明顯；

3)在實際設計時，應根據給定的爆炸沖擊載荷和要求的防護能力對橫隔板進行設計，保證橫隔板結構的最優化。

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