水面艦艇舷側(cè)抗沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)形式初探

1 引 言

眾所周知，艦艇不僅要有較強(qiáng)的作戰(zhàn)能力，同時要有相應(yīng)的生存能力，特別是在遭到敵方攻擊時能夠繼續(xù)完成既定使命任務(wù)的能力。艦艇設(shè)置防護(hù)結(jié)構(gòu)的目的就是為了有效地抵御各種戰(zhàn)術(shù)武器的攻擊，保證艦艇在受到各種武器攻擊時所產(chǎn)生的破損或毀壞程度能控制在允許的狀態(tài)和范圍內(nèi)，從而提高艦艇的生存和作戰(zhàn)能力。

為了提高水面艦艇的作戰(zhàn)生命力，各國海軍都在致力于這方面的研究，如改變舷側(cè)結(jié)構(gòu)的尺寸、在鋼板上敷設(shè)復(fù)合材料等。但是針對大型水面艦艇，除此之外，還在舷側(cè)設(shè)置了多層隔艙來實(shí)現(xiàn)防護(hù)目的。在作戰(zhàn)過程中，艦體的舷側(cè)結(jié)構(gòu)是相對薄弱的環(huán)節(jié)，如遭受水下武器近距離攻擊時，會導(dǎo)致舷側(cè)結(jié)構(gòu)局部塑性變形或者是根本性的破損；如是遠(yuǎn)距離攻擊，也要遭受到水下爆炸物沖擊波的作用，艦體會產(chǎn)生劇烈振動，使艦用設(shè)備不能處于準(zhǔn)確的工作狀態(tài)中，嚴(yán)重的情況下會使重要設(shè)備完全失效。

水下舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)向來是水面艦艇防護(hù)結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)，二次大戰(zhàn)期間海軍強(qiáng)國曾對其做過系列研究[1]，由于保密的原因，該方面文獻(xiàn)極少。我國在水面艦艇舷側(cè)結(jié)構(gòu)防護(hù)形式方面的研究較少，僅開展了個別模型的試驗(yàn)研究[2]。因此，本文針對以上情況，對艦艇提出雙殼結(jié)構(gòu)，不但在近場接觸爆炸時能提高其抗爆抗損傷能力；在遠(yuǎn)場非接觸爆炸時，對提高艦艇的抗沖擊能力也是一個很值得探討的問題。

2 水下爆炸沖擊環(huán)境仿真

2.1 計算模型

本文在傳統(tǒng)單層舷側(cè)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，借鑒中國船級社雙層舷側(cè)散裝貨船船體結(jié)構(gòu)指南[3]，虛擬設(shè)計出了雙層艦艇舷側(cè)結(jié)構(gòu)。同時，根據(jù)Y型舷側(cè)結(jié)構(gòu)在FPSO中的應(yīng)用[4]，也設(shè)計出Y型艦艇舷側(cè)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA建立出了以下5種有限元計算模型，在同一種工況條件下，分別對這幾種模型施以水下爆炸沖擊載荷，來比較各種結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的優(yōu)劣。以下是對5種計算模型的闡述：

1) 傳統(tǒng)的單殼舷側(cè)結(jié)構(gòu)，見圖1；

圖1 單殼結(jié)構(gòu)艙段的幾何模型

2) 雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)，即在單殼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在舷邊又加一層內(nèi)殼，見圖2；

圖2 雙殼結(jié)構(gòu)艙段的幾何模型

3) 在有雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)艙段的舷邊艙全都灌入水，見圖2；

4) 雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)舷邊艙內(nèi)有自由液面，即在舷邊艙內(nèi)注入一半的水，見圖2；

5) 在舷邊艙間斷地設(shè)置了Y型舷側(cè)結(jié)構(gòu)，見圖3。

圖3 Y型結(jié)構(gòu)艙段的幾何模型

2.2 流場與炸藥工況的設(shè)置

本文5種模型的爆炸沖擊環(huán)境設(shè)為一定當(dāng)量的TNT，炸藥距船中基線30 m，爆炸方位為45°，如圖4所示。

圖4 爆心位置示意圖

艦船舷外流場對艦船的沖擊響應(yīng)具有特殊性和重要性。在無限域流場中進(jìn)行艦船水下爆炸模擬分析時，要獲得較準(zhǔn)確的艦船低頻響應(yīng)，必須保證舷外流場足夠大。但是，在工程計算中，不可能將流場設(shè)置得足夠大，否則計算無法進(jìn)行。綜合考慮計算結(jié)果精確性和計算的時間因素，本文取流場半徑是結(jié)構(gòu)半徑的4倍[5，6]，如圖5所示。

圖5 艙段與流場的有限元模型示意圖

2.3 有限元計算流程

本文利用ANSYS/LS-DYNA軟件建立有限元艙段模型，整個模型都由板和梁構(gòu)成，均采用Shell63殼單元和Beam161梁單元。模型建好后直接導(dǎo)入ABAQUS，并根據(jù)預(yù)設(shè)好的尺寸建立流場，由于流場較模型尺寸稍大，把流場劃分成三角形網(wǎng)格，并且在外邊緣網(wǎng)格較大，而靠近模型的內(nèi)邊緣網(wǎng)格較小，和模型網(wǎng)格接近。然后把模型和流場裝配在一起，定義材料屬性、流固耦合、計算類型，針對水下爆炸產(chǎn)生高應(yīng)變率現(xiàn)象的數(shù)值仿真，采用材料模式為Plastic-Kinematic模型，應(yīng)變率的影響采用Cowper and Symonds模型描述，最后根據(jù)設(shè)置好的炸藥工況對艙段模型進(jìn)行非線性的水下爆炸仿真計算。

3 5種計算模型的計算與分析

3.1 舷側(cè)部位抗沖擊性能比較

利用大型有限元軟件ABAQUS，通過數(shù)值仿真計算，得到了模型的水下爆炸沖擊環(huán)境。水下非接觸爆炸艦體的應(yīng)力響應(yīng)云圖如圖6所示。為了比較明顯地區(qū)分在這幾種結(jié)構(gòu)狀態(tài)下沖擊環(huán)境的優(yōu)劣，特在工況迎爆面的舷側(cè)部位采了若干點(diǎn)和若干單元，作為模型的典型考核部位。這些考核點(diǎn)和考核單元分布具有一定的規(guī)律，是在沿型深方向間隔相等距離的5條水平線上所取得，每條水平線上取若干個考核點(diǎn)和考核單元。

圖6 艙段模型的應(yīng)力響應(yīng)云圖

為了進(jìn)一步分析比較這5種結(jié)構(gòu)狀態(tài)在同一個工況作用下舷側(cè)沖擊環(huán)境中的變化規(guī)律，分別在5條水平線高取得這些考核點(diǎn)和單元的加速度峰值、速度峰值及應(yīng)力峰值的平均值。本文對這幾種結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計。在分析過程中，因變量取為無量綱加速度、無量綱速度、無量綱單元合應(yīng)力、自變量取為無量綱高度。其中無量綱加速度Ao、無量綱速度Vo、無量綱單元合應(yīng)力σo、無量綱高度Ho的表達(dá)式為：

(1)

圖8 無量綱加速度比較

圖9 無量綱速度比較

圖10 無量綱單元合應(yīng)力比較

式中：A、V、σ表示考核點(diǎn)和考核單元的加速度峰值、速度峰值、單元合應(yīng)力峰值；Ae、Ve、σe表示在單殼結(jié)構(gòu)時爆炸載荷源點(diǎn)距結(jié)構(gòu)表面最近的點(diǎn)的加速度峰值、速度峰值和單元合應(yīng)力峰值；H表示考核部位的垂向高；D表示型深。圖8～圖10直觀地給出了這5種結(jié)構(gòu)狀態(tài)在迎爆面舷側(cè)無量綱加速度、速度、單元合應(yīng)力隨著考核部位高度不同的變化規(guī)律。從圖中可以看出，無論是加速度、速度還是單元合應(yīng)力，特別是在水線以下的艦體位置，雙殼舷側(cè)結(jié)構(gòu)的模型抗沖擊性能明顯要好于單殼舷側(cè)結(jié)構(gòu)，尤其是雙殼時舷邊艙內(nèi)設(shè)置了Y型結(jié)構(gòu)板后，各項(xiàng)抗沖擊指數(shù)均要小于前4種結(jié)構(gòu)模型。說明在舷邊艙的兩層殼之間有一定結(jié)構(gòu)形式的板連接在一起時，在遠(yuǎn)場非接觸爆炸時，抗沖擊能力有所提高。總的來說，雙殼結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能很明顯地體現(xiàn)出了優(yōu)勢。

3.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)抗沖擊性能比較

由于一些主要的艙室和重要的設(shè)備都在艦艇的內(nèi)部，所以，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是考核艦體抗沖擊性能的一個重要部位。下面列舉了1甲板、2甲板、3甲板和內(nèi)底板4處位置。在它們所處的位置采取了若干點(diǎn)，分別得到了這些考核點(diǎn)和考核單元的加速度、速度、單元合應(yīng)力的平均值來反應(yīng)此位置的抗沖擊性能。以下是這些值在5種模型狀態(tài)下的比較情況。把采得的數(shù)據(jù)繪成柱形直方圖，從而能更加明確地顯示出在各種結(jié)構(gòu)狀態(tài)下內(nèi)部結(jié)構(gòu)的沖擊環(huán)境變化規(guī)律，具體情況如圖11～圖13所示。

圖11 加速度直方圖

圖12 速度直方圖

圖13 單元應(yīng)力直方圖

從上圖可以看出，當(dāng)水下炸藥距離艦體較遠(yuǎn)處爆炸時，由于所處位置的不同，艦體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比起舷側(cè)部位，在設(shè)置雙殼后其加速度、速度、單元應(yīng)力比起單殼沒有太大的優(yōu)越性。但是在雙殼的舷邊艙內(nèi)設(shè)置了Y型結(jié)構(gòu)板后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的加速度、速度及單元應(yīng)力稍有所下降，但是效果比起舷側(cè)部位沒有那么明顯。這說明了舷邊艙的雙層殼之間設(shè)置有一定結(jié)構(gòu)形式的板連接起來對整個艙段的抗沖擊效果有一定的改善。

4 結(jié) 論

本文利用ANSYS/LS-DYNA軟件建立了傳統(tǒng)單殼結(jié)構(gòu)、雙殼結(jié)構(gòu)、雙殼結(jié)構(gòu)的舷邊艙全都灌入水、舷邊艙有自由液面、舷邊艙間斷地設(shè)置了Y型結(jié)構(gòu)板5種模型，并采用ABAQUS計算得到了5種模型艙段的沖擊環(huán)境，分析比較了在水下遠(yuǎn)場非接觸爆炸時它們的加速度、速度和單元合應(yīng)力的大小，通過計算可以得出以下結(jié)論：在遠(yuǎn)場水下非接觸爆炸時，對單殼和雙殼兩種形式的艙段內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成的沖擊響應(yīng)幾乎沒有太大的差別，如果在雙殼的舷邊艙內(nèi)設(shè)置了Y型結(jié)構(gòu)板，艙段的沖擊響應(yīng)會有所減弱。但是對于舷側(cè)結(jié)構(gòu)，雙殼結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)明顯小于單殼結(jié)構(gòu)，尤其是有Y型結(jié)構(gòu)板的雙殼模型，各項(xiàng)抗沖擊指數(shù)均小于前4種結(jié)構(gòu)模型，因此說明雙殼的艦體結(jié)構(gòu)抗沖擊性能有很大的提高。

通過以上研究表明，雙殼結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)場非接觸爆炸較之單殼時其舷側(cè)抗沖擊性能有很大的改善，尤其是在雙殼的舷邊艙內(nèi)設(shè)置了Y型結(jié)構(gòu)板時，抗沖擊性能更好。

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