單雙殼體潛艇沖擊響應(yīng)對(duì)比研究*

劉興永，朱 楓，計(jì) 方

(1.渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧葫蘆島125200;2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

0 引言

現(xiàn)代潛艇的下潛深度可達(dá)300～400 m，艇體須承受30～40 atm的壓力，所以，潛艇都有耐壓艇體，殼板厚度一般在20 mm以上。為使?jié)撏Ь哂袃?yōu)良的水下流體動(dòng)力性能，減小水下運(yùn)動(dòng)阻力，某些潛艇還有非耐壓艇體，它不承受深水壓力，殼板厚度一般僅為幾毫米，易于加工成水滴型或流線型。由于耐壓艇體與非耐壓艇體的原因，潛艇艇體的結(jié)構(gòu)形式有單殼體、雙殼體、單雙混合殼體和個(gè)半殼體結(jié)構(gòu)，最為常見的形式有單殼體和雙殼體2種結(jié)構(gòu)［1，2］。

鑒于潛艇具有不同的殼體形式，且目前國(guó)內(nèi)對(duì)潛艇沖擊環(huán)境預(yù)報(bào)研究多針對(duì)雙殼體潛艇進(jìn)行，單殼體潛艇沖擊環(huán)境研究國(guó)內(nèi)很少涉及。本文基于某雙殼體潛艇采用平攤板厚的方法將非耐壓殼體等效至耐壓殼體，將其簡(jiǎn)化成對(duì)應(yīng)的單殼體潛艇結(jié)構(gòu)形式?；贏BAQUS軟件對(duì)雙殼潛艇和對(duì)應(yīng)的單殼潛艇進(jìn)行數(shù)值模擬［3］，設(shè)計(jì)大量爆炸工況，用沖擊譜方法分析數(shù)據(jù)，得到潛艇結(jié)構(gòu)在水下爆炸載荷下結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律，并對(duì)單雙殼體潛艇沖擊環(huán)境進(jìn)行對(duì)比研究，明確單雙殼體潛艇沖擊環(huán)境差異。

1 潛艇水下爆炸的數(shù)值模擬

1.1 潛艇有限元模型

根據(jù)數(shù)值模擬的要求，本文利用有限元軟件ANSYS建立潛艇的有限元模型。建模時(shí)，潛艇非耐壓殼體和耐壓殼體上的環(huán)肋以及艙壁、平臺(tái)上的桁材采用空間梁?jiǎn)卧?，非耐壓殼體和耐壓殼體以及兩者之間的托板、艙壁、平臺(tái)、首尾殼體均采用板單元，如此既能逼近真實(shí)結(jié)構(gòu)，又能簡(jiǎn)化計(jì)算量。其中，單殼體潛艇是參照雙殼體潛艇，采用平攤板厚的方法將雙殼體潛艇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成對(duì)應(yīng)的單殼體潛艇結(jié)構(gòu)形式，只有耐壓殼體而沒有非耐壓殼體;雙殼體潛艇及其周圍流場(chǎng)進(jìn)行有限元建模時(shí)，將非耐壓殼體與耐壓殼體之間的水用聲學(xué)單元建立。圖1給出潛艇的有限元模型。

圖1 有限元模型Fig 1 Finite element model

1.2 數(shù)值計(jì)算過(guò)程

本文采用ABAQUS中的聲固耦合方法計(jì)算潛艇結(jié)構(gòu)在水下爆炸沖擊波作用下的沖擊響應(yīng)。對(duì)流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行離散，在結(jié)構(gòu)流體交界面處進(jìn)行耦合，由于潛艇全體浸沒水中，不考慮自由面與海底反射面的影響［4］，水下爆炸沖擊波載荷采用Geers-Hunter模型計(jì)算［5］。具體計(jì)算過(guò)程如圖2。

圖2 數(shù)值計(jì)算過(guò)程Fig 2 Procedure of numerical calculation

1.3 沖擊響應(yīng)數(shù)據(jù)處理方法

本文采用沖擊譜的方法對(duì)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。沖擊譜是一種帶有一定阻尼或無(wú)阻尼單自由度振子對(duì)沖擊激勵(lì)作用的最大響應(yīng)隨振子固有頻率變化的圖譜［6］。

設(shè)圓頻率為ωdi的第i振子的絕對(duì)位移為yi，相對(duì)位移為xi，在基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)z(t)的作用下，振子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程為

假設(shè)沖擊條件下，初始速度和位移都為0，則

xi(t)絕對(duì)值的最大值即為圓頻率為ωdi振子的位移譜值，x(t)絕對(duì)值的最大值即為速度譜值。

分別在潛艇的內(nèi)殼、外殼、內(nèi)部、左舷、右舷、艏部、艉部布置一定數(shù)量的考核點(diǎn)，將各部位節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)譜值加權(quán)平均得到某一部位響應(yīng)譜的均值

式中 v為譜速度均值，a為譜加速度均值，n為某部位的考核節(jié)點(diǎn)數(shù)。

2 單雙殼體潛艇沖擊響應(yīng)結(jié)果對(duì)比

分別對(duì)單雙殼體潛艇典型部位的加速度響應(yīng)、沖擊譜和沖擊響應(yīng)沿艇長(zhǎng)分布規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，得到單雙殼體潛艇在水下爆炸沖擊波作用下的響應(yīng)規(guī)律差異。

2.1 艇體典型部位加速度響應(yīng)

選取MK14刺猬式深水炸彈武器:127 kgTNT當(dāng)量，10m爆距，在單雙殼體潛艇艇中正下方爆炸工況。這里，僅選取艉部結(jié)構(gòu)14197節(jié)點(diǎn)與底部結(jié)構(gòu)耐壓殼體上55984節(jié)點(diǎn)作為說(shuō)明，這2個(gè)節(jié)點(diǎn)的加速度時(shí)歷曲線如圖3，圖4。

由圖3，圖4可以看出:1)水下武器在潛艇的正下部位爆炸時(shí)，潛艇的加速度沖擊響應(yīng)以垂向響應(yīng)為主;2)對(duì)比單雙殼體潛艇的響應(yīng)可以看出:無(wú)論是垂向加速度還是橫向加速度，雙殼體的響應(yīng)值相對(duì)于單殼體有相當(dāng)程度的減小，但其頻率成分卻沒有明顯的改變。

圖3 單雙殼體潛艇艉部14197節(jié)點(diǎn)的加速度對(duì)比Fig 3 Contrast of acceleration of node 14197 at stern between the single-hull and the double hull submarine

2.2 艇體典型部位沖擊響應(yīng)譜對(duì)比

將典型部位的沖擊響應(yīng)加速度按照1.3節(jié)中介紹的方法進(jìn)行處理，得到?jīng)_擊響應(yīng)譜。圖5，圖6給出艉部和底部的沖擊響應(yīng)譜均值，縱橫坐標(biāo)均為對(duì)數(shù)坐標(biāo)。

從圖5圖6的對(duì)比中可以看出:雙殼體的橫向和垂向速度譜值均較單殼體小;此外對(duì)某一部位，雙殼體較單殼體垂向譜值的減小量大于橫向譜值的減小量。這是因?yàn)殡p殼體潛艇比單殼體多了非耐壓殼體、舷間水，且非耐壓殼體和耐壓殼體間有多個(gè)強(qiáng)環(huán)肋，使得雙殼體潛艇的強(qiáng)度和剛度較單殼體潛艇大，當(dāng)潛艇正下方爆炸時(shí)，整個(gè)潛艇可看作受橫向載荷的梁的運(yùn)動(dòng)，此“艇體梁”的強(qiáng)度和剛度增加使得在載荷作用方向(垂向)的運(yùn)動(dòng)較少，而對(duì)垂直于載荷作用方向(橫向)的運(yùn)動(dòng)影響程度較弱，垂向較橫向響應(yīng)譜減小的程度大。

圖4 單雙殼體潛艇底部55984節(jié)點(diǎn)的加速度對(duì)比Fig 4 Contrast of acceleration of node 55984 at bottom between the single-hull and the double hull submarine

圖5 單雙殼體潛艇艉部沖擊譜對(duì)比Fig 5 Contrast of impact spectrum at stern between the single-hull and the double hull submarine

2.3 艇體沖擊響應(yīng)沿艇長(zhǎng)分布規(guī)律對(duì)比

為了研究沖擊響應(yīng)在單雙殼體潛艇響應(yīng)在艇長(zhǎng)方向上的分布情況，對(duì)單雙殼體潛艇沿艇長(zhǎng)分布8個(gè)命中點(diǎn)，如圖7所示。

將潛艇在長(zhǎng)度方向上分成若干份，每段艇體內(nèi)都布置一定數(shù)量的考核點(diǎn)。限于篇幅，圖8，圖9給出近場(chǎng)工況(80 kg藥量，5 m爆距)和中遠(yuǎn)場(chǎng)工況(800 kg藥量，30 m爆距)命中點(diǎn)1時(shí)單雙殼體潛艇的垂向譜速度(由于正下方爆炸時(shí)橫向響應(yīng)遠(yuǎn)小于垂向響應(yīng)，在此不再給出)。

圖6 單雙殼體潛艇底部沖擊譜對(duì)比Fig 6 Contrast of impact spectrum at bottom between the single-hull and the double hull submarine

圖7 命中點(diǎn)縱向位置Fig 7 Longitudinal distribution of target

圖8 近場(chǎng)命中點(diǎn)1單雙殼體潛艇沖擊譜沿艇長(zhǎng)分布對(duì)比Fig 8 Contrast of impact spectrum along length between the single-hull and double hull submarine under near-field target 1

圖9 中遠(yuǎn)場(chǎng)命中點(diǎn)1單雙殼體潛艇沖擊譜沿艇長(zhǎng)分布對(duì)比Fig 9 Contrast of impact spectrum along length between the single-hull and double hull submarine under far-field target 1

船體節(jié)點(diǎn)無(wú)量綱座標(biāo)為X=(L/2－x)/L，其中，L為艇長(zhǎng)，X為艇體各分段的縱向坐標(biāo)，橫軸0表示艇首，1表示艇尾。由圖可以看出:雙殼體的沖擊譜值較單殼體小。對(duì)于近場(chǎng)爆炸，在命中點(diǎn)附近雙殼體潛艇的響應(yīng)遠(yuǎn)小于單殼體潛艇的響應(yīng)，隨著距離命中點(diǎn)距離的增加，單雙殼體的響應(yīng)趨于相近;中遠(yuǎn)場(chǎng)爆炸工況，單雙殼體潛艇的響應(yīng)均體現(xiàn)了整體性(命中點(diǎn)附近和遠(yuǎn)離命中點(diǎn)的響應(yīng)差異不大)，但是，雙殼體的響應(yīng)在整個(gè)艇體上均要低于對(duì)應(yīng)工況的單殼體響應(yīng)。

3 結(jié)論

1)水下武器在潛艇的正下部位爆炸時(shí)，潛艇的加速度沖擊響應(yīng)以垂向響應(yīng)為主;無(wú)論是垂向加速度還是橫向加速度，雙殼體的響應(yīng)值相對(duì)于單殼體有相當(dāng)程度的減小，但其頻率成分卻沒有明顯的改變。

2)雙殼體潛艇的沖擊譜值要低于單殼體潛艇的沖擊譜值;此外，對(duì)某一部位雙殼體較單殼體垂向譜值的減小量大于橫向譜值的減小量。

3)對(duì)于某一特定潛艇，中遠(yuǎn)場(chǎng)爆炸下的艇體響應(yīng)較近場(chǎng)爆炸的響應(yīng)體現(xiàn)了整體性，近場(chǎng)爆炸的沖擊響應(yīng)局部性特征明顯;而無(wú)論是近場(chǎng)還是中遠(yuǎn)場(chǎng)爆炸，雙殼體潛艇的響應(yīng)較單殼體潛艇的響應(yīng)更具整體性。

［1］姚熊亮，王玉紅，史冬巖，等.圓筒結(jié)構(gòu)水下爆炸數(shù)值試驗(yàn)研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，23(1):5－8.

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