军用双体船抗冲击特性数值研究

岳永威 王 超 方 超 程晓达

1 哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001 2 哈尔滨工程大学 科技处，黑龙江 哈尔滨 150001

1 引 言

在现代海军国防建设中，舰船战斗群的整体攻防能力成为评价一方海上军事力量的唯一标准。近年来，随着高性能船舶技术在我国的迅速发展，更多不同种类、不同技术优势的船舶被纳入海军舰船战斗体系，发挥着不可取代的作用。双体船作为一种新型的高性能水面舰船，由于其甲板面积宽、舱容大，具有良好的快速性和操纵性等优点［1-2］，已逐渐成为海军装备系统的重要船型之一。因此，有必要对其结构在水下爆炸冲击波载荷作用下的冲击响应和结构强度等进行考核，为保证其生命力提供设计依据。

舰船水下爆炸抗冲击技术是研究舰船生命力的关键，目前已取得了一些学术成果［3-4］，并成功应用到了相应舰船的设计与建造中。从公开发表的文献来看，我国关于舰船抗冲击技术的研究对象绝大多数是针对单体船［5-6］，对双体船等新船型的抗冲击性能研究几乎没有。因此，本文将对典型双体船结构进行有限元建模，使用通用有限元软件ABAQUS中的声固耦合算法模拟水中冲击波载荷与结构的相互作用，给出军用双体船在设计工况下典型部位的冲击时域响应，确定双体船结构抗冲击的薄弱环节并对其进行强度分析，为相关的设计与结构优化提供依据。

2 计算模型

本文基于典型双体船的结构设计图纸，利用通用有限元软件ANSYS进行有限元建模。该双体船模型长 53m，宽 21.6m，吃水 3.5m，空载重量为400 t。所用材料为普通船用钢Q235，屈服极限为235 MPa。有限元模型主要用到的是壳单元和梁单元，壳单元主要用于模拟船体上的甲板、舷侧板、舱壁板和底板等，梁单元主要用于模拟结构的中横梁、加强材、肋骨框架、甲板纵桁、舱壁桁材和船底纵桁等构件。划分网格后的双体船有限元模型如图1所示，模型的节点总数为120000，单元数量为160000。

在对舰船进行水下爆炸数值分析时，舷外流场将直接对舰船产生重力、阻尼和惯性等方面的影响，因此，合理地建立舷外流场模型也十分重要。根据相关文献的结论［7］，本研究取流场半径为结构半径的4倍，图2所示为双体船及其舷外流场有限元模型。

考虑到双体船在受到冲击波载荷后将与流场一起产生振荡运动，因此，必须对与流场接触的双体船结构进行边界条件的设定，从而确保数值实验结果的精确性。本研究分别定义结构与流场接触的部位为主面，相应流场的面为从面，对应于ABAQUS软件中的绑定约束边界条件，即将主从面束缚在一起。此时，从属面上的每一个节点被约束为与在主控面上距它最接近的点具有相同的运动，所有平移和转动自由度本约束，可以客观地描述结构与冲击波作用的物理环境。

3 计算工况及冲击输入

本文建立的双体船计算模型坐标系统为：中纵剖面、中横剖面和基平面的交点为坐标原点，X轴向船首为正，Y轴向左舷为正，Z轴铅直向上为正。设计工况选用的药包药量为300 kg TNT，起爆位置位于船舯，药包深度D=29.5m，爆炸攻角为30°，爆距设为30 m。设计工况如图3所示。

图3所示工况中的冲击输入载荷可由Geers和 Hunter模型算出［8-9］，其公式如下：

在t＜7Tc时（冲击波阶段），冲击波压力为：

以上式中，mc和ac分别为药包的质量和初始半径，m；K、A 为材料常数；ρf为流体密度，kg／m3；R为爆距，m。根据上面的公式，可计算出炸药水下爆炸作用在结构上的冲击波压力，再基于Matlab软件，利用编程手段，可将其转换为等效的时域压力历程曲线，如图4所示。冲击波是以压力载荷的形式加载到双体船结构的迎爆面上。由图3所示的加载工况可以看出，将双体船的右潜体作为冲击输入部位，将该潜体外板及与之相接触的水作绑定约束设置，冲击压力波加载到约束部位，从而可保证水下冲击波作用下船体与水的耦合作用模拟的有效性以及冲击响应在全船范围内的传递。

当t>7Tc时，为气泡脉动阶段。因本文主要是研究水下爆炸冲击波对双体船的作用，故气泡脉动阶段暂不作讨论。

4 计算结果分析

图5给出了双体船在设计工况下的冲击响应应力云图。由应力云图可见，双体船的底板、潜体外板及艏艉部支柱连接结构处的应力响应较剧烈，应对这些部位予以重点分析。

4.1 典型部位冲击响应时域分析

时历响应曲线是描述冲击运动的常用方法，具有直观、简明的特点，其包括速度—时间、位移—时间和加速—时间等曲线。本文通过提取典型部位位于船舯的加速度时历曲线来表征双体船的冲击环境特性，如图6～图9所示。

从底部、潜体外板和支柱的加速度响应可以看出，结构响应基本在0.01～0.02 s区间内达到峰值，这是由冲击波载荷前期强大的冲击压力特性决定的，因水下结构与水体耦合会导致舰船的振动能量迅速耗散，结构的响应迅速减小。其中，底部响应具有峰值大、波形陡的特点，且响应多集中在高频区域，这是因为其距爆源最近，因而高频加速度响应被冲击波激起。反观主甲板响应，由于其位于水线面上方，没有与水体的耦合效应，因此冲击波峰压过后的响应衰减较慢，同时由于距爆源较远，响应峰值相对较低。

对比底部结构、潜体外板、支柱外板与主甲板上的加速度响应，出现了明显的依次衰减趋势：一方面，是由于甲板部分与底部相比不直接接触爆轰波，并且在水上的部分受流体耦合效应较小；另一方面，则与冲击载荷的性质有关，即甲板上的低频响应可能是由冲击载荷激起了局部板架振动的固有频率所引起，高频部分可能是由冲击波的前驱波所引起。

纵观全船的加速度响应，峰值大小主要与冲击波的强度和测点所处位置有关。离爆炸点越近，受冲击波载荷的影响就越大，但随着距离的增加，响应峰值逐渐衰减。响应峰值衰减的速率与舱室所处位置有关，垂向上离底部越远，受水体的耦合作用就越小，衰减便越缓慢，低频成分也就越多。

对比各位置垂向与横向的加速度时历曲线可以看出，垂向响应明显大于横向响应，因此，在分析双体船的冲击响应时，应以垂向响应为主。

4.2 薄弱部位分析

由图5的应力云图可以看出，双体船在水下爆炸载荷冲击波的作用下，应力比较大的单元、结构响应比较激烈的节点主要出现在潜体底部、潜体外板以及主甲板与支柱的连接结构处。图10～图12为这些典型部位的结构变形对比图。

由以上变形前后对比图可以看出，双体船的大变形部位主要出现在底部、潜体外板以及支柱与连接桥的过渡结构处，其中，支柱与连接桥过渡结构的艏部与艉部塑性变形尤为明显，是在设计时需重点关注的薄弱部位。

通过对结构大变形部位的总结，发现双体船在承受水下爆炸载荷时的薄弱环节主要集中在其两个潜体上，其原因为：首先，两个潜体位于水下，与爆源距离较近，承受的是没有经过结构卸载的直接冲击波峰压，因此局部毁伤比较严重；其次，由于双体船结构的特殊性，两个潜体的横向距离较宽，冲击波在其传播过程中可能会在两个潜体、自由液面中发生多次反弹，即在冲击波阶段的后期，在由双体船左右潜体、自由水面和船体水线面组成的空间中，后爆轰冲击波与潜体和自由液面的反射卸载波相互作用后对双体船潜体及连接桥支柱结构产生的拉应力，会对结构造成二次加载［10-12］，从而造成结构的破坏，而不是像单体船那样直接顺着结构向上传播，能量逐渐被卸载。

4.3 典型部位强度分析

得到双体船的薄弱部位后，本文将通过设计工况的计算结果对薄弱环节的强度进行分析。在应变分析中，分析标准取结构的等效塑性应变临界值 0.08。 根据 GJB4000-2000 第 103 章第103.4 节，船体的临界塑性应变为0.08，此时舰船的强度将得不到保证，视为结构破坏。在应力分析中，取船用钢Q235的屈服极限235 MPa作为标准。

图13～图18分别给出了各薄弱结构在设计工况下的Mises应力云图及等效塑性应变值（PEEQ）应变云图。表1为各结构的应力应变响应峰值。

表1 设计工况下薄弱部位计算结果Tab.1 Calculation results of weak link under design condition

由以上应力应变云图及计算结果可以看出，双体船各薄弱环节的应力峰值均超过了船用钢的应力屈服极限，而且除潜体外板之外，各结构的等效塑性应变峰值也大于临界值0.08。底板的中部应变基本为零，仅在边缘位置发生了大的位移变形，导致这种情况的原因主要是是由于底板边缘与潜体外板是呈弧形角度连接，易引起应力集中，从而造成大变形，因此，在进行结构强度设计时需引起重视。从潜体外板的响应云图来看，其大变形部位发生在外板顶部与支柱相连接处，因此，在设计时需重点考虑这部分的结构强度。支柱—舷台—连接桥连接结构在设计工况下的损伤较为严重，应力峰值出现在艏艉两端，变形位移较大的部位也发生在沿支柱顶部位置处。双体船结构与单体船最重要的区别在于，双体船是通过连接桥与两侧的片体相连，在受到水下非接触爆炸载荷作用后，冲击波在船体板架中传播到支柱—舷台—连接桥连接结构时会引起应力集中，从而导致结构的大变形，因此，在设计双体船时，需增强支柱—舷台—连接桥连接结构的强度。

5 结 论

本文对典型军用双体船结构进行了数值建模，并基于通用有限元软件ABAQUS中的声固耦合算法模拟了双体船在水下爆炸作用下的冲击环境，通过对设计工况下双体船结构的响应计算结果进行分析，得出如下结论：

1）双体船在受到水下爆炸冲击波作用时，由于水下结构与水体的耦合作用，导致振动能量迅速耗散，冲击响应衰减迅速，距爆源近的结构，如底板、潜体外板等受到的冲击波载荷影响较大，冲击响应呈现出高频成分，但随着垂向距离的增加，结构受水体的耦合作用减小，响应峰值逐渐衰减。

2）在分析双体船的冲击环境时发现，其垂向响应远大于横向响应，因此，在设计校核时应以垂向响应为主。

3）由于双体船两个潜体的横向距离较宽，使得冲击波在其传播过程中可能会对潜体结构造成二次加载，故其薄弱环节主要集中在潜体的底板、潜体外板以及支柱—舷台—连接桥连接结构处。

4）总结双体船薄弱环节的应力应变计算结果发现，各级考核结构在设计工况下（药量300 kg TNT当量，爆距30m，爆炸攻角30°）均不满足强度要求，处于结构破坏的临界状态，因而本设计工况下的计算值可为双体船的设计与结构优化提供依据。

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