艦船目標(biāo)在水下爆炸作用下毀傷效應(yīng)研究?

趙紅光

（91439部隊(duì) 大連 116041）

艦船目標(biāo)在水下爆炸作用下毀傷效應(yīng)研究?

趙紅光

（91439部隊(duì) 大連 116041）

采用數(shù)值計(jì)算以及理論分析方法對(duì)水下爆炸作用下目標(biāo)的毀傷效果進(jìn)行計(jì)算分析。首先結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法的正確性，然后選擇計(jì)算目標(biāo)對(duì)其在不同工況下的毀傷情況進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)采用理論分析方法對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)船計(jì)算結(jié)果分析比對(duì)，結(jié)果表明在近場(chǎng)爆炸作用下，只考慮毀傷的情況下可用艙段代替目標(biāo)艦船。

爆炸；數(shù)值；計(jì)算毀傷；目標(biāo)

1 引言

由于實(shí)船水下爆炸試驗(yàn)耗費(fèi)大，實(shí)施困難，對(duì)環(huán)境也會(huì)造成不利影響，無(wú)法通過(guò)大規(guī)模的試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)。而隨著計(jì)算機(jī)硬件和計(jì)算方法的不斷發(fā)展進(jìn)步，水下爆炸數(shù)值研究得到了各國(guó)學(xué)術(shù)界的高度重視，已成為研究水下爆炸現(xiàn)象及機(jī)理的一項(xiàng)重要手段［1～7］。

而集群系統(tǒng)作為一種高性能計(jì)算平臺(tái)，其最高可對(duì)1000萬(wàn)網(wǎng)格的水下爆炸仿真模型進(jìn)行仿真計(jì)算，其采用的并行計(jì)算技術(shù)和搭載的128核計(jì)算軟件能實(shí)現(xiàn)對(duì)水下爆炸作用機(jī)理的更精確模擬和快速計(jì)算。

2 仿真計(jì)算方法

ABAQUS采用聲固耦合法進(jìn)行水下爆炸仿真計(jì)算。將流體定義為聲學(xué)介質(zhì)，沖擊波在聲學(xué)介質(zhì)中傳播。對(duì)于同時(shí)涉及固體和聲學(xué)單元的問(wèn)題，存在兩種聲學(xué)壓力場(chǎng)的計(jì)算公式，即總波公式和散射波公式。當(dāng)入射波載荷施加時(shí)?？偛ü较啾壬⑸洳ü礁咏诮Y(jié)構(gòu)載荷。當(dāng)聲學(xué)介質(zhì)由于流體的空化是非線性或考慮空化效應(yīng)的影響時(shí)，必須使用總波公式［8］。

假定流體為可壓縮、絕熱且運(yùn)動(dòng)為小位移［9］，有速度相關(guān)動(dòng)量損失的流體動(dòng)量方程可表示為

其中，p為流體動(dòng)壓力（超過(guò)靜壓力的部分）；x為流體質(zhì)點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)；v?f和 v?f為流體質(zhì)點(diǎn)速度和加速度；Df為流體密度；α為單位體積單位速度的力；Ki為相關(guān)的場(chǎng)變量（如溫度、濕度或鹽度等）。

再假定流體為無(wú)粘性、線性可壓縮，則流體本構(gòu)方程可表示為

其中，vf為流體質(zhì)點(diǎn)位移，Rf為流體體積模量。

為了得到直接積分瞬態(tài)分析的偏微分方程，將式（1）兩邊除以Df并對(duì)x求導(dǎo)。假定忽略α Df的微分項(xiàng)，將結(jié)果與式（2）的時(shí)間導(dǎo)數(shù)合并得到用壓力表示的流體微分方程：

引入任意的變化域δp，在整個(gè)流體域中對(duì)式（3）積分得到運(yùn)動(dòng)方程的等效弱形式：

通過(guò)ABAQUS的聲固耦合分析［10］得到流體域平衡方程：

其中，δvm為位移變分，τ為結(jié)構(gòu)阻力，σ為節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，p為作用在結(jié)構(gòu)濕表面的壓力，n為指向流體的結(jié)構(gòu)表面法向量，D為結(jié)構(gòu)密度，αc為質(zhì)量比例阻尼系數(shù)，vm、v?m和 v?m分別為結(jié)構(gòu)單點(diǎn)位移、速度、加速度，δε為虛應(yīng)變對(duì)應(yīng)的虛位移。

這樣就得到了流體域中的結(jié)構(gòu)平衡方程。接著利用有限元法將結(jié)構(gòu)和聲學(xué)介質(zhì)進(jìn)行離散化，定義壓力加載面，將Geers and Hunters模型［11］計(jì)算出的水下爆炸壓力載荷加載到離散化的表面上。最后利用顯式時(shí)間積分法通過(guò)求解離散化的式（5）和式（6）得到結(jié)構(gòu)響應(yīng)和流體域中的壓力傳播。

3 仿真方法保真度驗(yàn)證

結(jié)合某實(shí)船爆炸數(shù)據(jù)，對(duì)仿真方法進(jìn)行驗(yàn)證。計(jì)算工況為1000kg TNT距左舷70m，水深50m沉底爆炸，龍骨沖擊因子為0.337。根據(jù)當(dāng)時(shí)爆炸時(shí)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際情況選取進(jìn)行比對(duì)的測(cè)點(diǎn)位置，分別選擇了3個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)和3個(gè)加速度測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)具體位置分別在：01甲板55#肋位迎爆面中縱桁縱向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)、主甲板25#肋位迎爆面縱桁縱向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)、內(nèi)底45#肋位迎爆面第一扶強(qiáng)材邊中間根部板格應(yīng)變測(cè)點(diǎn)、01甲板27#肋位室垂向加速度測(cè)點(diǎn)、主甲板76#肋位垂向加速度測(cè)點(diǎn)、內(nèi)底47#肋位垂向加速度測(cè)點(diǎn)。對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1～2。

表1 應(yīng)變峰值對(duì)比

表2 加速度峰值對(duì)比

通過(guò)對(duì)峰值的相對(duì)誤差計(jì)算，得出應(yīng)變峰值平均精度77.48%，加速度峰值平均精度77.52%，平均相對(duì)誤差均在30%以內(nèi)，計(jì)算精度符合工程要求。

4 計(jì)算目標(biāo)

4.1 計(jì)算對(duì)象

計(jì)算對(duì)象以某艦為原型，截取艦中兩個(gè)艙段，仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1～4所示，圖1為艙段內(nèi)部結(jié)構(gòu)有限元模型圖，圖2為艙段加強(qiáng)結(jié)構(gòu)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，圖3為水域有限元模型圖，圖4為艙段仿真計(jì)算整體有限元模型圖。

4.2 仿真工況設(shè)計(jì)及測(cè)點(diǎn)選取

仿真試驗(yàn)共設(shè)置了5個(gè)工況，工況設(shè)計(jì)主要依據(jù)水中兵器的裝藥量及使用情況，其中第一個(gè)工況采用驗(yàn)證算法工況相同的沖擊因子。

模型綜合考慮迎背爆面、船體結(jié)構(gòu)、設(shè)備位置等因素，共設(shè)置了10個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置均位于模型中橫剖面位置。

5 計(jì)算結(jié)果及分析

對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，并與實(shí)船仿真結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。

5.1 仿真計(jì)算結(jié)果

仿真計(jì)算結(jié)果如圖5～圖7所示，圖5仿真計(jì)算水域壓力云圖，圖6仿真計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖。

選取底部中心測(cè)點(diǎn)處的仿真計(jì)算結(jié)果表明，雖然在結(jié)構(gòu)形式上存在一定的差異，但艙段模型和整船模型的水平方向與垂直方向的加速度、速度曲線值在同等數(shù)量級(jí)上且具有可比性，符合設(shè)計(jì)要求，可用于模擬實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。

5.2 與實(shí)船仿真結(jié)果比對(duì)

為了對(duì)比分析實(shí)船與艙段之間的毀傷參數(shù)的異同，將艙段與實(shí)船方正計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果如圖7～圖10所示。

圖7～圖8為測(cè)點(diǎn)垂向加速度比對(duì)結(jié)果，由圖可知兩者加速度的變化趨勢(shì)基本一致，但是艙段加速度幅值大于實(shí)船。

圖9～圖10為等效靶及實(shí)船的應(yīng)力云圖，由圖可知等效靶與實(shí)船毀傷情況基本一致。由毀傷理論分析可知，在近場(chǎng)毀傷作用下，艙段和實(shí)船滿足材料、相當(dāng)板厚、外部形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本與實(shí)船相同的條件下，就可保證兩者抗毀傷效果相同，比對(duì)結(jié)果驗(yàn)證了該理論的正確性，為毀傷等效靶設(shè)計(jì)提供一定參考。

綜上所述，艙段模型均是采用與原始艦艇等同的艙段，沒(méi)有進(jìn)行幾何的縮比改動(dòng)，在沖擊加速度趨勢(shì)上基本相同，量值上不具備可比性，可作為考核設(shè)備沖擊振動(dòng)的平臺(tái)使用；從兵器毀傷角度考慮，可用艙段替代實(shí)際艦船。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文的研究，得到一些有意義的結(jié)論

1）通過(guò)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比對(duì)，證明了聲固耦合法計(jì)算爆炸毀傷數(shù)值計(jì)算方法的正確性，為后續(xù)的仿真計(jì)算提供方法和路徑。

2）采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)目標(biāo)艦船的艙段及目標(biāo)的毀傷情況進(jìn)行仿真計(jì)算，比對(duì)兩者的毀傷情況，發(fā)現(xiàn)兩者毀傷情況相類(lèi)似，可用艙段替代實(shí)際目標(biāo)。

3）從艙段和目標(biāo)的沖擊環(huán)境來(lái)看，兩者的變化趨勢(shì)比較一致，但艙段的加速度量值高于實(shí)船，用艙段替代實(shí)船時(shí)需對(duì)沖擊環(huán)境進(jìn)行修正。

4）采用數(shù)值仿真方法與同等級(jí)別整船進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，只考慮毀傷的情況下可用艙段代替目標(biāo)艦船。

［1］張振華，汪玉，張立軍等.船體梁在水下近距爆炸作用下反直觀動(dòng)力行為的相似分析［J］.應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)，2011（12）：78-63.

［2］ JaremaM.Didoszak.Parametric studies of DDG-81 ship shock trial simulations［D］.Naval Postgraduate School，2004.

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［5］Young S.Shin.Ship shock modeling and simulation for far-field underwater explosion［J］.Computers and Struc?tures，2004，82：2211-2219.

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［7］楊樹(shù)濤，朱永凱，焦磊.艦船舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)水下接觸爆炸動(dòng)響應(yīng)分析研究［J］.中國(guó)艦船研究，2010（08）：116-121.

［8］DassaultSystèmesSimulia Corp.ABAQUS Analysis User’s Manuals，version 6.9［Z］.RI，USA：DassaultSystèmes，2009.

［9］ DassaultSystèmesSimulia Corp.ABAQUS Theory Manu?als，version 6.9［Z］.RI，USA：DassaultSystèmes，2009.

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Research on Warship Target Damage Effect Subject to Under Water Explosion

ZHAO Hongguang
（No.91439 Troops of PLA，Dalian 116041）

The under-water explosion damage status of warship has been calculated using numerical simulation and theory analysis method.First，validity of simulation method has been testified by comparing experiment data.Second，proper target and in?stances have been selected，and then target damage simulation has been operated.The target and warship simulation results have been analyzed by using theory method.It shows that the target can substitute warship in the damage status.

explosion，numerical compute，damage，target

U661.2

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.11.026

Class Number U661.2

2017年5月4日，

2017年6月11日

趙紅光，男，助理工程師，研究方向：水中兵器試驗(yàn)研究。