水下爆炸沖擊對船舶艉軸架軸承響應特性的影響分析

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(1.海軍駐大連426廠軍事代表室，遼寧 大連116000；2.中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

船舶艉軸架軸承是船舶推進系統中較為脆弱的部件之一，它懸掛在船艉，負載大、剛性差，完全浸泡于水中，容易受到外界環境的影響。當發生水下爆炸時，艉軸架軸承所受到的破壞也更為嚴重，直接影響到船舶軸系的推進性能及船舶的續航能力。目前，國內外相關研究主要都集中在爆炸沖擊對船殼結構的影響，很少對抗爆結構進行研究，如爆炸沖擊對艉軸架軸承的影響[1]。研究船舶艉軸架軸承在水下非接觸爆炸沖擊作用下的響應特性，有助于優化艉軸架軸承結構，提高抗沖擊能力，以保證其可靠性和安全性[2]。

以某船舶的艉軸架軸承(見圖1)為研究對象，應用有限元仿真方法，在不考慮水域自身流場和螺旋槳抽吸作用下，研究炸藥當量和爆心位置對艉軸架軸承的位移、應力和速度等響應特性的影響規律。

圖1 艉軸架軸承示意

1 模型的建立

艉軸架軸承結構示意見圖2。各部件的幾何

圖2 艉軸架軸承結構尺寸示意

參數和材料屬性見表1～3。

表1 艉軸架軸承結構尺寸 mm

表2 螺旋槳的主要參數

表3 主要零件材料性能參數

應用Ansys/LS-dyna軟件對某船舶艉部的局部區域進行數值仿真。設定船體的坐標系，坐標系的基平面YOZ與船體的中縱剖面重合;X軸指向船體的右舷;Y軸垂直于水線面且以向上為正;Z軸指向船艉。仿真計算采用cm-g-μs單位制，船體艉部局部區域的三維模型見圖3。

圖3 船體艉部的局部區域模型

考慮到船體結構及其所在的水域均具有對稱性，為提高計算效率，仿真計算將采用1/2建模法建立船體及其所在水域的有限元模型[3]，見圖4。

圖4 船體艉部及其所在水域的仿真計算模型

模型有456 483個節點和448 632個單元，水域為15 m×20 m×35 m，水域的邊界條件設置為無反射邊界條件[4]。

仿真計算將采用ALE算法[5]，炸藥和水介質分別采用JWL狀態方程和Gruneisen狀態方程，其狀態參數[6]見表4。

表4 TNT炸藥和水介質的狀態參數

為保證爆炸沖擊波能夠在水中有效地形成，提高計算精度，一般都要求爆炸點與研究對象之間的爆炸距離應不小于6倍的炸藥包半徑。

2 炸藥當量的影響

探討在近距離水下爆炸下，炸藥當量對船舶艉軸架軸承響應特性的影響。主要研究對象為軸承外殼、軸承襯套和軸承內襯的下中心點。爆心位于艉軸架軸承外殼下中心點的正下方4 m處，爆心與艉軸架軸承的相對位置見圖5。

圖5 爆心與艉軸架軸承的相對位置

考慮到相關因素的限制，選取4種不同的炸藥當量工況，見表5。

表5 4種工況數據 kg

通過仿真計算，求解出在不同炸藥當量工況下，艉軸架軸承各測點處的位移、應力和速度的響應峰值變化，見圖6～8。

圖6 炸藥當量對位移響應峰值的影響

圖7 炸藥當量對應力響應峰值的影響

圖8 炸藥當量對速度響應峰值的影響

由圖6～8可見，隨著炸藥當量的增加，各測點處的位移、應力和速度的響應峰值都在不斷增加，且它們的增長趨勢基本一致。但與位移和速度的響應峰值曲線有所不同，在應力響應峰值曲線中，軸承內襯處的應力是明顯小于軸套處和軸承外殼處的應力。雖然3個測點處的變形大致相同，但它們材料的彈性模量卻不一樣，根據胡克定律，會出現如圖7所示的情況。

3 爆心位置的影響

在不考慮艉軸架損壞的情況下，探討爆心位置對艉軸架軸承的動力學響應特性的影響規律。取炸藥當量為104 kg，研究軸承外殼、軸承襯套和軸承內襯的下中心點。

3.1 垂向位置對響應特性的影響

考慮爆炸距離應不小于6倍的炸藥包半徑，研究中選取了以下4種垂向位置工況，見表6。

表6 4種工況數據 m

爆心位于艉軸架軸承外殼下中心點正下方的Y處，爆心與艉軸架軸承的相對位置見圖9。

圖9 爆心與艉軸架軸承的相對位置

通過仿真計算，求解出在不同垂向位置工況下，艉軸架軸承各測點處的位移、應力和速度響應峰值的有限元仿真結果，見圖10～12。

圖10 垂向位置對位移響應峰值的影響

圖11 垂向位置對應力響應峰值的影響

圖12 垂向位置對速度響應峰值的影響

由圖10～12可見，隨著爆心離艉軸架軸承的垂向距離增大，艉軸架軸承各測點處的位移、應力和速度的響應峰值變化趨勢基本一致，都在不斷地減小。

圖11表明，炸藥當量為104 kg，爆距為2 m時，艉軸架軸承外殼處應力峰值(270 MPa)超過鋼材的許用應力(235 MPa)，會造成艉軸架軸承損壞，而其它工況不會對艉軸架軸承造成損壞。

3.2 橫向位置對響應特性的影響

以艉軸架軸承外殼下中心點的正下方4 m處作為坐標原點，以指向船舶右舷的方向作為X的正方向，考察爆心離艉軸架軸承的橫向位置對軸承響應特性的影響。爆心與艉軸架軸承的相對位置見圖13。4種橫向位置工況見表7。

圖13 爆心與艉軸架軸承的相對位置

表7 4種工況數據 m

通過仿真計算求解出在不同橫向位置工況下，艉軸架軸承各測點處的位移、應力和速度的響應峰值變化，見圖14～16。

圖14 橫向位置對位移響應峰值的影響

圖15 橫向位置對應力響應峰值的影響

圖16 橫向位置對速度響應峰值的影響

由圖14～16可見，隨著爆心與艉軸架軸承的橫向距離增大，各測點處的應力和速度響應峰值都是不斷減小，但位移響應峰值卻是先增大后減小。這主要是因為爆心在橫向移動時，迎爆面由艉軸架軸承的下底面轉移到艉軸架軸承的側面。由于艉軸架軸承的橫向剛度(4.8×109N/m)小于其垂向剛度(6.6×109N/m)，使得迎爆面在側面時各測點的位移響應峰值大于迎爆面在下底面時。隨著爆心橫向移動距離的增大，沖擊波能量的減小幅度逐漸大于艉軸架軸承剛度減小的幅度，使得各測點的位移響應峰值開始減小。

3.3 縱向位置對響應特性的影響

以艉軸架軸承外殼下中心點的正下方4 m處作為坐標原點，以指向船艏的方向作為Z的正方向，考察爆心的縱向位置對艉軸架軸承響應特性的影響。爆心與艉軸架軸承的相對位置見圖17，所討論的4種工況見表8。

圖17 爆心與艉軸架軸承的相對位置

表8 工況數據 m

仿真計算求解出在不同縱向位置工況下，艉軸架軸承各測點處的位移、應力和速度的響應峰值變化，見圖18～20。

圖18 縱向位置對位移響應峰值的影響

由圖18～20可見，隨著爆心縱向距離的增大，位移、應力和速度的響應峰值變化趨勢基本一致，都在不斷地減小。

圖19 縱向位置對應力響應峰值的影響

圖20 縱向位置對速度響應峰值的影響

4 結論

利用Ansys/LS-dyna軟件分析水下爆炸沖擊對船舶艉軸架軸承響應特性的影響，此方法能夠方便地對艉軸架軸承的抗爆性進行評估與優化，從而提高艉軸架軸承的使用壽命并減少試驗費用。但由于條件所限，在分析過程中未能考慮到水域自身流場和螺旋槳抽吸作用對爆炸沖擊的影響，所以計算結果與實際之間仍存在著一定的誤差。

[1] 蔣國巖,金 輝,李 兵,等.水下爆炸研究現狀及發展方向展望[J].科學導報,2009,27(9)：87-91.

[2] 劉建湖.艦船非接觸爆炸水下爆炸動力學的理論與應用[D].無錫：中國艦船科學研究中心, 2002.

[3] 姚熊亮.流體網格劃分對水下爆炸結構響應的影響[J].哈爾濱工程大學學報,2003,24(3)：237-240.

[4] 賈憲振,胡毅亭,董明榮,等.水下爆炸沖擊波毀傷魚雷殼體結構的數值仿真研究[J].彈箭與制導學報, 2008,28(4)：127-130.

[5] Theodore Trevino.Applications of Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) analysis approach to underwater and air explosion problems[R].AD-A384983,2000.

[6] 李翼祺,馬素貞.爆炸力學[M].北京：科學出版社,1992.