不同攻角舰船结构动态响应的数值模拟.pdf

第2 9 卷第2 期 2 0 1 2 年6 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 9N o ．2 J i m ．2 0 1 2 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 2 ．0 2 ．0 0 5 不同攻角舰船结构动态响应的数值模拟木 陈建军1 ，贾则1 ，陈高杰1 ，宗智2 1 ．9 1 4 3 9 部队，大连1 1 6 0 4 1 ；2 ．大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，大连1 1 6 0 2 4 摘要运用通用有限元分析软件A B A Q U S 对某型舰进行全船冲击响应数值模拟，分析水下爆炸攻角对 舰船结构动态响应的影响，并得出以下结论水下爆炸栽荷作用下舰船结构响应具有局部性，船体的受冲击 范围和强度随爆炸攻角的增大而减小；在研究舰船冲击环境时。攻角在3 0 。一6 0o 范围内的测点应该多取； 舰船外底板中心部位节点的垂向加速度峰值随爆炸攻角的增大而减小，且加速度响应的衰减速度随爆炸攻 角的增大而下降。 关键词水下爆炸；爆炸攻角；舰船结构；冲击响应；数值模拟 中图分类号U 6 6 1 ．4文献标识码A文章编号I1 0 0 1 - 4 8 7 X 2 0 1 2 0 2 0 0 1 9 - 0 3 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fW a r s h i pS h o c kR e s p o n s e u n d e rD i f f e r e n tA z i m u t h C H E N J i a n - j u n l ，J I AZ e l ，C H E N ‰施1 ，Z O N GZ h i 2 1 ．U n i t9 1 4 3 9o fP L A ，D a l i a n1 1 6 0 4 1 ，C h i n a ； 2 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fS t r u c t u r a lA n a l y s i sf o rI n d u s t r i a lE q u i p m e n t ， D a l i a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，D a l i a n11 6 0 2 4 ，C h i n a A b s t r a c t I n t h i sp a p e r ，t h ed y n a m i c a lr e s p o n s eo fas u r f a c es h i ph a sb e e ns i m u l a t e db yt h eo D E f l l l n e r c i g ] f i n i t ee l - e m e n tp r o g r a mA B A Q U S ．O nt h eb a s i so ft h et h e o r yo fw a r s h i pf a c i l i t ys h o c kv i b r a t i o n ，n u m e r i c a l l ys i m u l a t e st h e s h o c kr e s p o n s eo ft h et y p i c a l l yc a p i t a lw a r s h i p ，a n a l y s e st h ei n f l u e n c et ot h er e s p o n s eo fw a r s h i ps t r u c t u r ec a u s e db y t h ee x p l o s i o na z i m u t h ．T h er e s e a r c hs h o w st h es h i ps h o c kr e s p o n s eh a sl o c a l i t y ，t h es h o c kr a n g ea n dB n e n g t I lo fv e r t i - e a le x p l o s i o na mm u c hb i g g e rt h a nt h eb r o a d s i d e ；a n dt h ep e a kv a l u eo fv e r t i c a la c c e l e r a t i o nt h a ti so u t s i d em o t h e r b o a r do fw a r s h i pw i l li n c r e a s ea Sl o n g ∞e x p l o s i o na z i m u t hd e c r e a s e ． K e yw o r d s u n d e r w a t e re x p l o s i o n ；e x p l o s i o na z i m u t h ；w a r s h i ps t r u c t u r e ；s h o c kr e s p o n s e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 当前，国际军事竞争的焦点日益集中在争夺海 上控制权，要取得海上控制权需要一支强大的海军， 海军的强大，离不开舰船。随着舰船造价的不断攀 升，各国对舰船的抗冲击性能研究越来越重视，对舰 船在极端情况下的强度要求越来越高。近2 0 年来， 收稿日期2 0 1 2 0 l 1 3 作者简介陈建军 1 9 6 9 一 ，汉族，辽宁锦州人，硕士、工程师．主要 从事水下爆炸试验总体方面研究， E m a i l w n a l d o r m e 1 6 3 ．c o m o 基金项目国家9 7 3 项目 2 0 1 0 C B 8 3 2 7 0 ；创新研究群体科学基金 5 0 9 2 1 0 0 1 随着水中兵器的不断发展，水下爆炸的当量、冲击持 续时间及冲击波强度明显增强，水下爆炸载荷对舰 船结构的直接破坏越来越大，直接威胁着舰船的作 战能力和生命力，所以提高舰船的抗冲击性能成为 更加迫切的任务。 随着近年来数值仿真计算软件的普及，国际上 相继出现很多种大型有限元动力分析软件 例如 A B A Q U S 、L S 一们ⅢA 、M S C ／D Y T R A N 等 ，这使得有 限元仿真成为计算舰船冲击响应的切实可行的办 法。【s D Y N A 和D Y T R A N 在分析舰船水下爆炸 万方数据 爆破2 0 1 2 年6 月 过程中均采用A L E 算法，而A B A Q U S 采用声固耦合 算法。A L E 算法用状态方程描述流体和炸药，通过 欧拉单元计算冲击波的传播过程；而声固耦合算法 采用一种声学介质来描述流体，冲击波在声学单元 中传播。国内用A L E 算法研究水下爆炸的文献比 较多，本文采用声固耦合方法模拟舰船水下爆炸。 由于对水下爆炸载荷作用下舰船结构动态响应一般 规律的研究已较为成熟，只针对爆炸攻角对舰船结 构响应的影响展开讨论。利用A B A Q U S 对某型舰 进行全舰冲击数值模拟，分析爆炸攻角给舰船结构 动态响应带来的影响。以某型舰船为研究对象，通 过A B A Q U S 模拟全舰冲击试验求出舰体关键部位 的冲击响应。分别计算了0 。、3 0 。和6 0 。爆炸攻角 下，4 0 0k gT N T 当量的炸药，爆距为4 0m ，3 种水下 爆炸工况下舰船结构的动态响应。爆炸攻角8 定义 如图l 所示，0o 即为垂直迎爆，尺为爆距。 线 图1 水下爆炸攻角示意图 F i g ．1 P i c t u r eo fa z i m u t ho fu n d e r w a t e re x p l o s i o n 1 有限元模型的建立 在A N S Y S 、L S D Y N A 、M S C ／D Y T R A N 等有限 元软件中，为了使数值仿真的冲击波压力在传递过 程中不过快衰减，流场网格必须划分得足够细密，达 到毫米量级。而舰船的长度小则数十米，大则几百 米。如果是远场爆炸问题，流场范围将很大。毫米 级的流场网格将导致机算机硬件无法承受和计算时 间的急剧增加，因此在工程上难以实现。若将流场 ．网格划分粗一些，则流场压力迅速衰减，到达船体表 面时压力与经验公式值相差很大。冲击波压力输入 是获得舰船冲击响应的基础，若冲击波输入有较大 的谬误，则不可能得到正确的结果。姚熊亮等基于 A B A Q U S 软件对水下爆炸载荷作用下水面舰船动态 响应数值仿真的流场模型进行了系统地研究⋯，认 为流场区域的半径取船体半宽的6 倍 流场半径表 示流场边缘到模型中心的最小距离 ，在船长方向 略大于船长即可，并将流场底面边界设为无反射边 界条件‘2 。。当然，文献[ 1 ] 研究的是舰船垂直迎 爆，本文在计算水下爆炸攻角的变化时，也充分借鉴 其研究成果，计算水域采用六面体单元，由于主要考 察船体中部结构的动态响应，为节约计算时间，水域 中最靠近船体部位采用尺寸为0 ．5m 的细网格1 4 ’5 1 ， 离船体越远则网格尺寸越大、网格越粗。 利用P r o ／E 软件建立某型舰的几何模型。坐标 系的选择坐标原点为基平面与中纵剖面和F R O 剖 面的交点，x 轴指向船首，y 轴指向左舷，z 轴竖直 向上。利用H y p e r m e s h 软件建立某型舰的有限元模 型，船体结构的单元类型为壳单元和梁单元，其中壳 单元个数为1 0 22 9 6 个，梁单元个数为9 92 0 8 个，结 构的单元尺寸为0 ．5m 。船体的钢材为高强度船用 低碳刚，具体参数为材料密度P 7 8 0 0k s ／m 3 ，弹性 模量E 2 ．1 1 0 “P a ，剪切模量G 8 1 ．8M P a ，屈服 应力2 ．3 5 1 0 8P a ，泊松比0 ．3 ，失效应变0 ．3 。水 域的单元类型为声学单元，单元个数为3 4 98 1 2 个。 水域分为3 个部分，采用中问为圆柱体、两端为球体 的形状，由于该船属于表面船，所以中部为一个圆柱 体的一半，两端是相同半径的球体的1 ／4 ，圆柱体和 球体的半径为船体结构半宽的6 倍。水域用六面体 声学单元划分网格，设置单元类型为A C 3 D 8 R ，共划 分3 层，与船体结构相连的部分单元尺寸最小，向外 逐渐变大，船体和水域的有限元模型如图2 所示。 图2 舰船和水域的有限元模型 F i g ．2 F E Am o d e lo fw a r s h i pa n dw a t e r 2 不同攻角舰船结构的应力响应分析 运用A B A Q U S 对舰船进行全船冲击响应的数 值模拟，分析爆炸攻角给舰船结构动态响应带来的 影响。爆炸载荷为4 0 0k gT N T 当量的炸药，分别以 攻角0o 、3 0o 和6 0 。对舰船进行水下爆炸攻击，攻 角为0 。时爆炸载荷位于船底中部正下方4 0i n 处， 攻角为3 0 。和6 0 。时爆炸载荷分别与0 。攻角产生 3 0o 和6 0 。的夹角，且爆距也为4 0m ，如图1 所示。 图3 、图4 和图5 是3 种爆炸攻角、同一时刻的舰船 结构冲击响应应力云图。如图可知爆炸攻角为0 。 时，船体受冲击范围和强度要远远大于攻角为3 0 o 和6 0o 时的情况，这是由于攻角增大时，爆炸冲击波 对船体的垂向冲击作用因爆炸攻角而被削弱，且攻 万方数据 第2 9 卷第2 期陈建军，贾则，陈高杰，等不同攻角舰船结构动态响应的数值模拟 2 1 角越大削弱效果越明显，且对于水面舰船来说，爆炸 冲击波的垂向作用是船体冲击响应的主要影响因 素M 4 j 。因为爆炸冲击波首先会作用到船体底部，然 后冲击运动通过船体的垂向构件向上传递，直至甲 板和上层建筑，同时垂向结构也会削弱冲击运动的 强度，因此船体上层结构的冲击响应要小于底部，并 呈递减的趋势。 ⋯⋯一～- ‘‘一一⋯ 7 0 ⋯TJ ’⋯* H 一 ⋯ q 燕器量麓 二 一啪 图3 攻角为0 。时船体结构应力云图 F i g ．3 S t r e s sn e p h o g r m no fs h i ps t r u c t u r ea ta z i m u t h0 。 i j 荒凛一⋯⋯ i “⋯⋯‘“⋯’⋯“。“ 图4 攻角为3 0 。时船体结构应力云图 F i g ．4 S t r e s sn e p h o g r a mo fs h i ps t r u c t u r ea ta z i m u t h3 0 。 i k ⋯⋯’⋯∞l “∞ l ●■⋯“⋯ ⋯⋯ 图5 攻角为6 0 。时船体结构应力云图 F i g ．5 S t r e s sn e p h o g r a mo fs h i ps t r u c t u r ea ta z i m u t h6 0 。 由于爆炸载荷在船底中部下方爆炸，冲击波最 先接触到船底，由于船底外板受冲击波载荷的直接 作用，船底板中心处首先发生应变，随后应变由船底 板中心向上部和首尾两侧传递到船体结构的其它部 分，最后覆盖整个船体。在水下爆炸冲击波载荷的 作用下，船底外板中心处的应变和变形要远大于船 体其他部位的应变和变形。舰船底部作为冲击波载 荷的主要承受者，其应力要比上层建筑大，而最大应 力则集中在船体中部迎爆面处，由于冲击波作用的 区域比较大，舰船的艏部和艉部也受到了一定的冲 击影响，但相对中部迎爆面处来说要小得多。 从图3 、图4 、图5 中还可得出，当攻角0 3 0 o 时，该船体中横剖面处的结构应力随p 的增大而变 化较大；当攻角p 3 0 。时，船体中横剖面处的结构 应力随着0 的增大而变化缓慢，这说明药包在船体 中下方爆炸时，选择适当的角度可以使同量药包爆 炸威力更大。根据以上研究表明在考核水下典型 武器攻击舰船过程中，当攻角在3 0 。一6 0 。变化时， 由于此时船体总纵强度会随攻角的变化而变化较 大，所以在研究舰船冲击环境时，爆炸考核点要多 取；当攻角在3 0 。一6 0o 之外变化时，爆炸考核点H T 少取。 3 外底板中心处节点的冲击响应分析 图6 为外底板中心部位节点垂向加速度时程曲 线。从攻角为0 。的船底板中部测点加速度响应曲 线可以看出，由于水下爆炸压力包括冲击波和多次 气泡脉动压力，并受到与结构的相互耦合作用的影 响。水下爆炸压力含有丰富的频率成分，气泡膨胀 产生的气泡脉动压力的能量以低频为主，冲击波的 能量主要作用在中高频。初始阶段是冲击波作用， 之后在入射波负压作用下速度迅速下降，然后第1 次气泡脉动作用开始，测点开始加速，气泡脉动对船 体结构产生较明显的作用，气泡脉动对船体的损伤 可能比冲击波更为严重。从图6 中可以看出，攻角 为0 。时底板中心节点的加速度响应衰减最快。爆 炸攻角为3 0 。时，其爆点与底板中心节点的距离与 0 。攻角时相差不太大，但底板中心节点的加速度响 应峰值因爆炸攻角增大而被削弱，峰值约为Oo 攻角 时的7 6 ％；爆炸攻角为6 0 。时，爆点与底板中心节 点的距离最远，且由于攻角最大，冲击响应被削弱得 最多，因此，加速度响应峰值仅为o 。攻角时的 4 2 ％。 4 结论 利用A B A Q U S 对舰船进行全船冲击响应数值 模拟，分析水下爆炸攻角对舰船结构动态响应的影 响，得到如下重要结论 下转第1 1 8 页 万方数据 1 1 8爆破2 0 1 2 年6 月 上接第2 l 页 时间／s 图6 外底板中心节点的垂向加速度响应时程曲线 F i g ．6 V e r t i c a la c c e l e r a t i o nr e s p o n s eh i s t o r yC U I V I ea t c e n l t ／“ n o d eo ft h eb a s ep l a t e 1 水下爆炸载荷作用下舰船结构响应具有局 部性，攻角为0 。时船体的受冲击范围和强度要比攻 角为3 0o 和6 0o 时大得多。 2 当攻角在3 0 。- 6 0 。变化时，船体总纵强度 会随攻角的变化而变化剧烈，所以在研究舰船冲击 环境时，此攻角范围内的测点必须多取；当攻角在 3 0 。一6 0 。之外变化时，测点可适当少取。 3 舰船外底板中心节点的垂向加速度响应峰 值随爆炸攻角的增大而逐渐减小，且加速度响应的 衰减速度也随攻角的增大而逐渐降低。 [ 1 ] 姚熊亮，张阿漫，许维军，等．基于A B A Q U 软件的舰 船水下爆炸研究[ J ] ．哈尔滨工程大学学报，2 0 0 6 ， 2 7 1 3 7 4 1 ． [ 1 ] Y A OX i o n g - l i a n g ，Z H A N GA 蚴，X UW e i - j u n ，e ta 1 ．R e - s e a r c ho nw a r s h i pu n d e r w a t e re x p l o s i o nw i t h A B A Q U S s o f t w a r e [ J ] ．J o u r n a lo fH a r b i nE n g i n e e r i n gU n i v e r s i t y 。 2 0 0 6 ，2 7 1 3 7 4 1 ． i nC h i n e s e [ 2 ] Z O N Gz ．D y n a m i cp l a s t i cr e s p o n s eo fas u b m e r g e df r e e f r e eb e a mt ou n d e r w a t e rg a sb u b b l e [ J ] ．A e t al ～l e e h a n i c a ， 2 0 0 3 ，1 6 1 1 7 9 1 9 4 ． [ 3 ] 姚熊亮，徐小刚，张凤香．流场网格划分对水下爆炸结 构响应的影响[ J ] ．哈尔滨工程大学学报，2 0 0 3 ，6 3 2 3 8 - 2 “． [ 3 ] Y A OX i o n g l i a n g ，X UX i a o g a n g ，Z H A I 、i GF e n g x i a n g ．I n - f l u e n e eo ff l u i d d d i I I go ns t r t t e t u r a lr e s p o n s eo fu n d e r - w a t e re x p l o s i o n [ J ] ．J o u r n a lo fH a r b i nE n g i n e e r i n gU n i - v e r s i t y 。2 0 0 3 ，6 3 2 3 8 - 2 4 4 ． i nC h i n e s e [ 4 ] L E Es a l 学目由．F l u i dm e s hm o a e l i I I g0 1 1s u r f a c es h i ps h o c k r e s p o m eu n d e r Ⅲl d 日w a t e r 唧l ∞i ∞[ J ] ．P r a c t i c a lD e s i g n0 f S h i p sa n do t h e rF l o 幽a gS t r u c t l m ，2 0 0 1 ．1 3 1 5 1 3 2 2 ． [ 5 ] 贾则，李鹏，张臣，等．圆柱壳水下爆炸冲击响 应信号的小波分析[ J ] ．爆破，2 0 1 0 ，2 7 4 1 8 - 2 1 ． [ 5 ] J I Az e ，L IP e n g ，Z H A N GC h e n ，e ta 1 ．W a v e l e ta n a l y s i si n s h o c kr e s p o n s es i g n , ao f o fc y l i n d e rs h e l lO i lu n d e r w a t e r e x p l o s i o n [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 1 0 ，2 7 4 1 8 - 2 1 ． i nC h i n e s e [ 6 ]姚熊亮，侯健，王玉红，等．水下爆炸冲击载荷作用时船 舶冲击环境仿真[ J ] ．中国造船，2 0 1 1 3 ，3 1 7 1 - 7 4 ． [ 6 ] Y A OX i o n g l i a n g ，H O I JJ i a n ，W A N GY u ．h o n g ，e ta 1 ．R e s e a r c ho ns i m u l a t i o no fu n c l e l W l l t e l “ s h o c ke n v i r o n m e n to f s h i p E J ] ．S h i pB u i l d i n go fC h i n a ，2 0 0 3 ，3 1 7 1 - 7 4 ． i n C h i n e s e [ 7 ] 张振华，朱锡，冯刚，等．船舶在远场水下爆炸载 荷作用下动态响应的数值计算方法[ J ] ．中国造船， 2 0 0 3 ，4 4 4 3 6 4 2 ． [ 7 ] z 姒N cZ h e n h u a ，Z H UX i ，F E N GG a n g ，e ta 1 ．N u m e r i c a l a n a l y s i so fs h i p , l y , l Ⅲi cr e s p o n s ed u et os h o c kw a v e si n d u c e db yl o n g - d i s t a n c eu n d e r w a t e re x p l o s i o n [ J ] ．S h i p B u i l d i n go fC h i n a ，2 0 0 3 ，4 4 4 3 6 - - 4 2 ． i nC h i n e s e 万方数据