静水压力对环肋圆柱壳碰撞特性的影响分析

刘 令 吴 梵 梅志远

(海军工程大学船舶与动力学院 武汉 430033)

静水压力对环肋圆柱壳碰撞特性的影响分析

刘 令 吴 梵 梅志远

(海军工程大学船舶与动力学院 武汉 430033)

环肋圆柱壳是潜艇等水下结构物的主要组成部分，静水压力下的径向撞击是其面临的最为恶劣的载荷环境之一.采用MSC.DYTRAN非线性有限元软件，对较小静压下环肋圆柱壳的碰撞过程进行了数值仿真,分析了壳体的变形及吸能特性，比较了不同静压，不同撞击载荷下，静压做功值及其在总变形能中所占的比例.结果表明,较小静压环境下，随着静压的变化，静压做功值呈非线性变化，但其所占总变形能的比例却基本为线性变化，且后者与撞击体的初始动能无明显关系.

环肋圆柱壳；径向撞击；数值仿真；吸能

0 引 言

环肋圆柱壳是潜艇耐压壳体、水下运载器、海底管路等的主要结构形式，其工作环境位于水下，主要承受静水压力作用.在其工作期间，有可能与外物发生撞击，如故障弹回落砸击潜艇，潜艇触礁、搁浅、与水面舰舶碰撞等.由于潜艇本身储备浮力较小，且碰撞过程中有静水压力作用，所以一旦发生碰撞，后果比水面船舶碰撞严重得多，甚至导致灾难性的后果.2005年1月美国海军一潜艇发生触礁事故，20多名艇员受伤，1人死亡.然而，潜艇等水下结构物因为自身结构特点及工作隐蔽性等特殊要求，碰撞事故很少被公开，碰撞问题没有引起学者们的广泛关注.近年来，有学者对潜艇典型结构在撞击载荷作用下动态响应做了试验研究[1]，但是其并没有考虑静水压力的作用；由于试验条件、经费的限制，更多的学者专家采用有限元软件对潜艇[2-5]及水下运载器[6-7]的碰撞问题展开了数值仿真，初步探讨了水下碰撞的主要特征、基本现象和规律，指出了撞击过程将伴随静水压力做功，但是没有将静压作为变量进行细致的讨论，对静压做功的规律，及其在结构总变形中所占的比例大小也没有做深入的研究.本文选取潜艇耐压壳的典型结构形式——环肋圆柱壳作为研究对象，采用MSC.DYTRAN大型非线性有限元软件，对其在100 m水深范围内，受撞变形直至最终稳定的过程进行了数值仿真.为了便于以后进行系统的、细致的研究，首先将静压进行了分级，指出了本文研究的环境为较小静压；然后简单地分析了流固耦合的影响，发现撞击力和吸能的规律差别不大，为节约计算成本可不考虑流固耦合；接着详细分析了不同静水压力对壳体吸能特性的影响，比较了在不同速度、质量的撞击体撞击下静压做功的大小及其在总变形能中所占的比例，较为深入地研究了静水压力对环肋圆柱壳碰撞特性的影响.

1 静压的初步分级

在不同的静水压力环境下，环肋圆柱壳受撞后的损伤变形程度不同，静压在壳体变形中所占的地位也不同.初步研究结果表明：当静水压力较小时，撞击体与壳体碰撞之后回弹，壳体的变形较小，此时撞击载荷占主要地位，静水压力对壳体的变形只起辅助作用；当静水压力较大时，撞击载荷只在初始阶段起作用，壳体在静水压力的作用下继续发生大变形直至压溃，静水压力对壳体的变形起着主要作用.当静压继续增大时，结构在单纯的静压作用下就遭到破坏.为了便于以后开展细致的研究，本文根据撞击持续的时间和壳体吸能的时间初步将静水压力划分为几个等级，并结合本文的具体结构和撞击能，通过仿真试算给出了大致的静压值.需说明的是，这里只是初步提出了静压分级的概念以便研究，静压分级与结构及撞击能的关系还有待进一步研究.

静压初步分级如下.

1) 较小静压 撞击时间与壳体吸能时间一致，撞击结束时壳体吸能即停止，其撞击力与吸能曲线如图1a)，大致范围为0～2 MPa.

2) 较大静压 壳体吸能时间大于撞击时间，撞击结束时壳体在静压作用下继续吸能，其撞击力与吸能曲线如图1b)，范围为2～8 MPa.

3) 超大静压 无需撞击，壳体在静压作用下就已破坏，其范围为8 MPa以上.

2 流固耦合的影响

水下撞击除了要考虑静水压力作用，还得考虑水介质对撞击效果的影响.为了研究流固耦合对撞击结果的影响程度，本文分别建立了基本模型和流固耦合模型.基本模型不考虑流固耦合的影响，由耐压壳和肋骨组成，肋骨采用扁钢简化，撞击体采用刚性球面.考虑对称性，只建立半个圆柱壳模型，对其轴向两端及对称面采用简支固定，对撞击体和壳体之间定义主从面接触，静压为0.5 MPa，均匀加在耐压壳上.结构具体尺寸和材料参数见表1～2.流固耦合模型在基本模型的基础上，加上欧拉单元对水介质进行模拟，欧拉域的范围将整个结构包含其中，并通过在半圆柱壳的三面建立虚拟单元，形成了壳单元加虚拟单元的封闭耦合面.由于下一步打算进行实验研究，仿真采用1∶10缩比模型，根据相似定律，小比例模型和原型各物理量的比例关系为：长度1∶10，时间1∶10，质量1∶1 000，撞击力1∶100，能量1∶1 000.2种模型见图2.

表1 模型参数

表2 主要材料参数

图2 有限元模型

计算得到的2种模型的撞击力时历曲线和壳板的变形能时历曲线见图3.

图3 2种模型结果比较

由图3a)可见,撞击力曲线呈现明显的非线性特征，中间存在一个较长时间的平台期；流固耦合模型的撞击力曲线明显比基本模型的撞击力曲线光滑，这是因为由于水介质的存在，减轻了结构的振荡，使撞击更加平稳；流固耦合模型的撞击力最大值比基本模型稍小，这可能是因为水介质使撞击得到了一定的缓冲；总的说来，2种模型的撞击力曲线差别不大，撞击力持续的时间，以及撞击力曲线的形状基本相同.

由图3b)可见：壳板的变形能曲线亦呈现较强的非线性特征，在撞击结束时，壳板的变形能产生小幅的振动直至稳定；基本模型的变形曲线有明显的振荡现象，这是由于静压的作用引起的，考虑流固耦合以后，由于水介质的阻尼作用，这种现象明显减弱；此外，流固耦合模型的最终变形能稍大于基本模型的最终变形能，这说明考虑流固耦合结构的吸能效果更好.

总的说来，两种模型的撞击力时历和变形能时历曲线存在一定的差别，考虑流固耦合更有利于结构的耐撞性.但是鉴于这种差别并不明显，且流固耦合模型计算所用的时间远远大于基本模型，所以本文后面的分析可忽略流固耦合的影响.

3 静压对壳体吸能的影响

3.1 计算模型

本节采用的模型结构尺寸，以及材料参数与上一节相同，不同的只是静压的大小和撞击体的工况.为了探索较小静压对结构碰撞吸能的影响规律，将静压从0 MPa到1 MPa按0.1 MPa 的增量进行了细分，同时，为了研究不同的撞击能下这种规律的变化情况，对撞击体设定了不同的质量和速度，并分别将每种组合作为一个工况，见表3.对每种工况放到不同的静压环境下进行计算，分析其变形及碰撞后的能量分布状况.其中：工况2和工况4、工况3和工况5的初始撞击能是相同的.

表3 撞击工况设置

3.2 计算结果及其分析

3.2.1 结构损伤变形

在较小静压环境下，撞击体与环肋圆柱壳发生碰撞后回弹，壳体在撞击与静压的共同作用下发生凹陷变形，离撞击点较近的肋骨也随着壳体发生比较明显的弯曲变形，并由于自身挤压形成褶皱.随着静压的增大，壳体凹陷量和凹陷范围也相应增大.采用MSC.PATRAN作为后处理器，对DYTRAN的仿真计算结果进行处理，得到工况1，0.5 Mpa壳体撞击后变形模式见图4.

图4 壳体变形模式

撞深可以反应环肋圆柱壳损伤变形的程度，不同静压下，工况1壳体的撞深随时间的变化规律见图5，不同工况下壳体的最终撞深与静压的关系见图6.

图5 撞深时历曲线

图6 撞深-静压曲线

由图5可见，前0.33 ms时，壳体的撞深为0，这是因为撞击体与壳体之间存在一定的距离，还没有接触到壳体；撞击体接触壳体的前2 ms左右，撞深随着时间的变化基本呈现线性增加，随后表现出较强的非线性；当撞深达到最大时撞击体回弹，壳体产生小幅度的弹性振动直至最后稳定.

观察图6可以看出，同一工况下，随着静压的增大，撞深相应地增加.不同工况下的撞深随静压变化的趋势基本相同；撞击体的初动能参数对撞深影响较大，静压一定时，随着撞击体质量、速度的增大，撞深亦增加；工况2与工况4、工况3与工况5下的两条曲线基本重合，表明当撞击体的初动能一定时，尽管质量、速度不同，撞深也一样相同.进而可以得出结论：在较小静压环境下，真正影响壳体撞深的只有撞击体的初始动能和静水压力.

3.2.2 结构的吸能分析

受撞过程遵守能量守恒定律，撞击体损失的动能与静压所做的功主要转化为以下几种能量：(1)结构的变形能；(2)结构的动能；(3)由于沙漏引起的沙漏能.各能量随时间的变化历程见图7(0.5 MPa，工况1).可以看出，壳板变形能比肋骨变形能大，约是肋骨的3倍左右，因此壳板是主要的吸能构件；与结构的变形能相比，结构动能和沙漏能所占的比值非常小，基本可以忽略，因此可以认为，撞击过程中：

撞击体损失的动能+静水压力所做的功=结构的总变形能

根据撞击体速度的损失可以算出撞击体动能的损失，根据撞击体损失的动能和结构的总变形能可以算出静水压力所做的功，进一步可得出静压做功在结构总变形能中所占的比例.

撞击结束后，随着水压的不同，工况1各能量分布情况及静压做功比例见表4.

将表4中部分项的变化规律以曲线形式表示见图8，不同工况下水压做功以及水压做功所占比例与静压的关系见图9～10.

图7 能量时历曲线(0.5 MPa，工况1)

图8 工况1撞后能量分布

图9 静压做功-静压曲线

图10 静压做功比例-静压曲线

由图8可知，不同静压下，撞击体最终损失的动能相差不大，虽然撞击体有剩余动能，但是很小，所以其损失的动能基本等于初始动能；壳板和肋骨的变形能均随着静压增加而增大，且壳板吸收的能量比肋骨多，吸能的速率也比肋骨快；静压做功亦随着静压的增大而呈现非线性增加.从图9可知，当撞击体的动能不同时，静压做功的大小亦不同，其一般规律是，静压做功随着撞击体的动能增大而增大；工况2与工况4、工况3与工况5下的静压做功曲线基本重合，这说明只要撞击体的动能保持相同，尽管速度和质量的分配不同，静压做功的大小仍然相同.从图10可知，静压做功的比例随着静压的增加基本呈现线性增加；各个工况下静压做功的比例相差不大，这表明在较小静压环境下，静压做功的比例与撞击体的初动能关系不大.图9～10中，工况3和工况5缺少0.9 MPa和1 MPa的数据，其原因是在这4个算例中，壳体的变形吸能与撞击不同步，即撞击结束后壳体由于静压的作用还在变形并吸能，这是因为撞击能过大造成的，不在本文研究的范围之内.

4 结 论

1) 不同静水压力对环肋圆柱壳受撞损伤程度的影响不同，静压较小时，壳体损伤小，撞击体与壳体碰撞之后回弹，撞击载荷占主要地位；静压较大时，撞击载荷只在初始阶段起作用，静水压力对壳体的变形起着主要作用.

2) 考虑流固耦合算得的结构的撞击力偏小，而结构的变形能偏大，说明考虑流固耦合有利于结构的耐撞性；此外，考虑流固耦合使结构在静压〗下的振荡效应明显减小.

3) 较小静压环境下，静压做功的值随着静压的增大而呈现非线性增加，且随着撞击体速度质量的增加而增大，但当撞击体的动能一定时，不管

速度质量如何分配，静压做功保持不变.

4) 较小静压环境下，静压做功的比例随着静压的增大呈现线性增加，且撞击体质量速度变化时，其增加的速率基本不变，这表明静压做功的比例基本不受撞击体初动能的影响，只与静压大小有关.

[1]朱新阳,梅志远,吴 梵.潜艇典型结构在撞击载荷作用下动态响应的试验研究[J].船海工程,2009,38(4):87-91.

[2]谭大力,梅志远,陈伟燃.考虑静水压力的加筋圆柱壳体径向碰撞机理研究[J].船舶力学,2008,12(4):635-641.

[3]梅志远.基于MSC Dytran的潜艇结构撞击强度分析[J].计算机辅助工程,2006,15(S):71-74.

[4]陈炜然,丁德勇.深水环境下潜艇舯部结构撞击强度数值分析[J].海军工程大学学报,2007,19(2):95-98.

[5]梅志远,张 伟,李 卓,等.双壳结构水下耐撞变形吸能特性分析[J].海军工程大学学报,2010,22(3):55-59.

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[7]刘俊杰,万正权,蒋彩霞,等.深水环境下双层圆柱壳结构受撞数值仿真[J].舰船科学技术,2011,33(5):13-18.

Analysis on Collision Properties of Ring-stiffened Cylinder Under Hydrostatic Pressure

LIU Ling WU Fan MEI Zhiyuan

(ShipandPowerEngineeringCollege,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China)

Ring-stiffened cylindrical shell is the main component of underwater structure like submarine, and radial collision underwater is one of the most dangerous environment it faces. MSC.DYTRAN software was used to simulate the collision process of ring-stiffened cylinder subjected to lower hydrostatic pressure .The structure’s deformation and energy absorption , as well as the work did by hydrostatic pressure was researched under different hydrostatic pressure and different impact intensity. The results show: As hydrostatic pressure changes, the work it does vary in a non-linear way, while its proportion in total distortional energy seems to vary linearly and has no obvious relationship with the initial kinetic energy of striker.

ring-stiffened cylinder; radial collision; numerical simulation; energy absorption

2015-02-18

U661.4

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.03.036

刘 令(1986- )：男，博士生，主要研究领域为船用材料及应用