空中爆炸載荷作用下艦船水密門抗沖擊分析

劉文思，朱 倩，徐 華

(1. 中國人民解放軍91439 部隊，遼寧 大連 116041；2. 大連醫科大學計算機中心，遼寧 大連 116041；3. 江陰市船舶設備制造有限公司，江蘇 無錫 214400)

0 引 言

艦載設備按其對艦船作戰和安全的重要性不同，抗沖擊等級分為A 級、B 級和C 級[1–2]。其中B 級設備是指對艦船連續作戰和安全不是必需的設備，這種設備應能承受沖擊而不引起設備或設備外部結構脫開或以其他方式對人員或要害系統產生危害。艦船水密門屬于B 級設備，因此需要對艦船水密門進行抗沖擊計算考核。

實時模擬法采用時間歷程曲線作為設備的輸入載荷，對設備在時域上進行瞬態分析，可以考慮設備的非線性結構以及設備的非線性破壞[3]。選取典型空中爆炸載荷工況，應用實時模擬法加載爆炸載荷。通過對2 種結構水密門設備分別進行抗沖擊實例計算，研究不同結構形式對水密門沖擊響應的影響。對比研究結構最大應力、應變特征參數，分析得出2 種水密門設計結構抗沖擊特點，獲取設備最大響應位移，為艦載設備抗沖擊分析、優化設計提供技術路徑。

1 水密門設備三維模型建立

對水密門圖紙進行結構強度分析，不難發現主要承載結構為沖擊直接作用的門板，易損結構為承擔門板與艙壁聯接的夾頭構件，其他桿件不直接遭受載荷作用，且結構強度大于夾頭構件，由于過于細小的連接零部件會影響計算效率，故只考慮門板及夾頭聯接構件，根據門板后是否設置板架加強結構分為2 種水密門設計結構，分別對設置板架加強結構和無板架加強結構的水密門建立簡化三維模型，如圖1 所示。

圖 1 兩種結構水密門簡化三維模型Fig. 1 Two kinds of watertight door simplified three-dimensional model

2 水密門設備有限元建模

2.1 門板

采用殼單元建立門板有限元模型，尺寸為2.197 m×1.676 m，四周圓角過渡R=0.2 m

2.2 夾頭構件

夾頭構件起到連接緊固水密門門板與剛性艙壁的作用，在水密門設備中屬連接構件，對結構強度的初步分析判斷其為易損結構，在水密門設備抗沖擊分析中應予以研究。

2.3 板架加強結構

板架加強結構附著于門板背面，采用T 型殼單元建模，厚度為8×10–3m，中心部分高度0.1 m，四周邊緣高度0.05 m，之間為線性過渡處理，板架加強結構與門板共同組成水密門主體，起到連接緊固水密門門板的作用，在水密門結構中屬加強構件。

2.4 剛性艙壁

艙壁結構是水密門設備的安裝及支撐主體，所以可將水密門連接固定的艙壁簡化為剛體墻處理，認為艙壁結構在設計沖擊載荷作用下保持剛性固定不發生變形。

2.5 材料

水密門材料選取剛塑性材料模型，密度7 800 kg/m3，彈性模量2.1×1011Pa，泊松比0.3，板厚8×10–3m。同時考慮應變率強化效應，采用Cowper-Symonds 強化模型：

式中 分別為動靜態屈服應力。

2.6 邊界條件

由于艙壁結構簡化為剛性艙壁，因此在剛性艙壁處添加固支邊界條件；水密門門板與夾頭構件通過螺栓連接，由于簡化去掉其他桿件結構，且沖擊載荷作用為瞬態載荷，計算中將螺栓連接簡化為點焊連接處理；水密門門板、夾頭構件與剛性艙壁之間設置接觸約束條件，如圖2 所示。

圖 2 兩種結構水密門設備有限元整體模型Fig. 2 Finite element model of two kinds of structural watertight door

3 抗沖擊計算

對水密門設備有限元整體模型進行前處理，利用ls-dyna 顯式動力學分析程序進行仿真計算[4–6]。

3.1 工況設置及載荷分析

水密門供岸艦轉運使用，一般設置于甲板以上通道，因此典型沖擊工況為空中來襲爆炸載荷，主要考核其在空爆載荷下的沖擊響應。選取1 kgTNT 距離門板中央法線方向1 m 處空中爆炸工況進行仿真計算。

沖擊波到達門板中央處壓力時程曲線如圖3 所示。

圖 3 門板中央處沖擊波壓力時程曲線Fig. 3 Shock wave pressure time history curve at the center of the door panel

3.2 計算結果

3.2.1 兩種結構水密門整體及典型位置應力

水密門門板von-mises 應力云圖及中心單元應力時程曲線如圖4 所示。無板架加強結構的水密門門板中心點最大應力發生在t=8.51×10–3s 時刻，最大應力380 MPa；設置板架加強結構的水密門門板中心點最大應力發生在t=5.02×10–3s 時刻，最大應力411 MPa，后者比前者大8%，通過對2 種結構水密門門板應力云圖變化進行分析，可發現設置板架結構的水密門在門板與板架交界處產生了應力集中現象，正是應力集中造成了交界處局部應力的增大。

無板架加強結構的水密門門板最大應力發生在t=8×10–3s 時刻，最大應力569 MPa，最大應變0.037 8；設置板架加強結構的水密門門板最大應力發生在t=4.4×10–3s 時刻，最大應力520 MPa，最大應變0.031 7。無板架加強結構的水密門夾頭最大應力發生在t=2.84×10–2s 時刻，最大應力508 MPa，最大應變0.067 9；設置板架加強結構的水密門夾頭最大應力發生在t=4.0×10–3s 時刻，最大應力485 MPa，最大應變0.059 6。對比圖5 可見板架加強結構雖然會導致門板與板架交界處局部應力集中現象發生，但卻可以使水密門整體應力值有效地平均化，達到減小水密門整體最大應力值和最大應變值的作用。

將最大峰值應力大于400 MPa 的單元高亮顯示（見圖6），可以觀察到無板架加強結構的水密門均為夾頭構件及門板邊框上的單元，且位于長邊處的夾頭構件單元最大應力大于短邊處的夾頭構件單元最大應力，長邊處的夾頭構件中，中間的夾頭構件單元應力最大。設置板架加強結構的水密門則主要發生在板架結構及部分夾頭構件上的單元，說明板架加強結構有效承擔了爆炸沖擊載荷。

圖 5 不同時刻2 種結構水密門整體von-mises 應力最大值Fig. 5 Maximum stress of two structural watertight doors at different times

圖 6 兩種結構水密門最大峰值應力大于400 MPa 的單元Fig. 6 Two structural watertight doors with maximum peak stress greater than 400 MPa

3.2.2 兩種結構水密門塑性變形云圖

門板結構塑性應變大于0.03 的部位主要發生在夾頭構件與門板聯接作用的螺孔處、與艙壁結構接觸的尖端處，其他大部分結構塑性應變很小。

無板架加強結構的水密門門板最大應變0.037 8；設置板架加強結構的水密門門板最大應變0.031 7。無板架加強結構的水密門夾頭最大應變0.067 9；設置板架加強結構的水密門門板最大應變0.059 6。可見板架加強結構可以有效地減小水密門整體最大應變值的作用，2 種結構形式的水密門最大塑性應變均不超過0.28，可認為均未發生結構破壞[7–8]。

3.2.3 水密門典型位置速度及整體最大位移

選取門板中心及長短邊框共3 個節點考察節點位移情況，繪制位移曲線如圖7 所示，通過分析可知門板先受沖擊波壓力作用后撞擊艙壁前表面后壓縮（即正向位移），沖擊波壓力過后門板彈離艙壁（即負向位移）。

圖 7 門板中心及長短邊框中心3 個節點位移曲線Fig. 7 Three node displacement curves at the center of the door panel and the center of the long and short border

無板架加強結構的水密門門板最大位移0.059 7 m，設置板架加強結構的水密門門板最大位移0.020 4 m。無板架加強結構的水密門夾頭最大位移0.057 3 m，設置板架加強結構的水密門門板最大位移0.029 6 m。可見板架加強結構有效地減小水密門整體最大位移，使水密門承受空爆載荷沖擊而不引起與艙壁結構的脫開。

4 結 語

1）水密門結構在空爆沖擊過程中的沖擊響應為：門板作為迎爆面首先受沖擊波壓力作用后撞擊艙壁前表面后壓縮，沖擊波壓力過后門板彈離艙壁，整個沖擊過程未發生結構破壞；夾頭構件受到門板傳遞的應力波作用，隨后在門板彈離艙壁過程中撞擊艙壁背爆面表面之后應力進一步增大導致不同程度塑性變形。

2）在1 kg TNT 距離門板中央法線方向1 m 處空中爆炸作用情況下，強沖擊波最先到達門板中心，短時間內（8×10–4s）應力波快速擴展至整個水密門結構。2 種結構水密門門板應力云圖顯示設置板架結構會在門板與板架交界處產生應力集中現象，雖然這會使交界處局部應力增大，但設置板架結構可以使水密門整體應力值有效地平均化，達到減小水密門整體最大應力值和最大應變值的作用。

3）通過對應力云圖分析可得出不同結構水密門最大應力位置規律。無板架加強結構的水密門均為夾頭構件及門板邊框上的單元，且位于長邊處的夾頭構件單元最大應力大于短邊處的夾頭構件單元最大應力，長邊處的夾頭構件中，中間的夾頭構件單元應力最大。設置板架加強結構的水密門則主要發生在板架結構及部分夾頭構件上的單元，說明板架加強結構有效承擔了爆炸沖擊載荷。

4）門板結構塑性應變大于0.03 的部位主要發生在夾頭構件與門板聯接作用的螺孔處、與艙壁結構接觸的尖端處，其他大部分結構塑性應變很小，因此設備安裝連接結構是抗沖擊設計要關鍵考慮的問題。板架加強結構可以有效地減小水密門整體最大應變值的作用，2 種結構形式的水密門最大塑性應變均不超過0.28，可認為均未發生結構破壞。

5）無板架加強結構的水密門門板最大位移0.059 7 m，設置板架加強結構的水密門門板最大位移0.020 4 m。無板架加強結構的水密門夾頭最大位移0.057 3 m，設置板架加強結構的水密門門板最大位移0.029 6 m。可見設置板架加強結構可以有效地減小水密門整體最大位移，使水密門承受空爆載荷沖擊而不引起與艙壁結構的脫開。