典型補(bǔ)給油船抗沖擊性能研究

程曉達(dá) 曹冬梅 尹緒超 陳海龍

（1.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院 哈爾濱 150001）

0 引 言

近年來，隨著軍事競(jìng)爭(zhēng)對(duì)海上力量的日益傾斜，水中兵器威力不斷增加，爆炸沖擊波及氣泡脈動(dòng)、水射流都會(huì)對(duì)艦船生命力產(chǎn)生巨大的威脅［1-2］。各軍事強(qiáng)國對(duì)艦船遭受武器攻擊的生命力問題均開展了深入的探討［3］，我國在該領(lǐng)域的研究也在積極開展。為保持艦船的持續(xù)作戰(zhàn)能力，軍需補(bǔ)給系統(tǒng)的作用不容忽視。然而當(dāng)前國內(nèi)對(duì)補(bǔ)給艦艇的抗沖擊問題研究甚少，對(duì)于遭受水下武器攻擊時(shí)補(bǔ)給艦的強(qiáng)度問題、局部易損區(qū)域、安全性校核等問題均有待探討。

實(shí)船水下爆炸實(shí)驗(yàn)費(fèi)用驚人，目前一些西方發(fā)達(dá)國家也往往需要聯(lián)合幾個(gè)國家共同實(shí)施實(shí)船爆炸試驗(yàn)，且涉及保密，公開的實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)非常稀少。我國在實(shí)船試驗(yàn)方面起步相對(duì)較晚，但是近年來也加大了這方面的投入［4］。隨著科技的進(jìn)步，數(shù)值計(jì)算的優(yōu)勢(shì)日漸顯著，具有方便、可靠、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，目前得到了廣泛應(yīng)用［5-7］。本文針對(duì)某典型軍用補(bǔ)給油船，通過數(shù)值計(jì)算與理論相結(jié)合的方法，對(duì)該船的中遠(yuǎn)場(chǎng)抗爆抗沖擊性能進(jìn)行了分析計(jì)算。

ABAQUS由于其優(yōu)異的非線性分析能力，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。本文使用該軟件集成的聲固耦合法可以很好地模擬中遠(yuǎn)場(chǎng)水下爆炸時(shí)沖擊波對(duì)船體結(jié)構(gòu)的作用，及船體結(jié)構(gòu)與水的相互耦合作用。由于接觸爆炸是個(gè)極其復(fù)雜的物理化學(xué)過程，至今仍是各國專家研究的前沿?zé)狳c(diǎn)問題。隨著數(shù)值仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，各數(shù)值計(jì)算軟件百花爭(zhēng)鳴，互有優(yōu)勢(shì)，因而本文不再詳述。

1 有限元模型建立及工況設(shè)置

1.1 船體結(jié)構(gòu)及其流場(chǎng)有限元模型

本文所研究的是某典型補(bǔ)給油船結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗沖擊分析前，按照設(shè)計(jì)圖紙采用通用商業(yè)軟件ANSYS對(duì)該船進(jìn)行建模。主要考察該船抗沖擊性能，為保證模型的計(jì)算精度，在建模中全船所有基本結(jié)構(gòu)均詳細(xì)建出；同時(shí)，對(duì)于便于加工而設(shè)計(jì)的倒角、圓孔等結(jié)構(gòu)進(jìn)行的合理簡(jiǎn)化，以提高計(jì)算效率。最終建立的油船幾何模型如圖1所示。

對(duì)建立的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)局部結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及重點(diǎn)考察區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化處理后，通過實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)的接口程序?qū)⒂邢拊Ｐ蛯?dǎo)入到ABAQUS中進(jìn)行分析。

為了真實(shí)反映艦船在海上的航行狀態(tài)，通過查閱設(shè)計(jì)圖紙，將船體內(nèi)部設(shè)備及裝載以MASS質(zhì)量點(diǎn)形式均布在各層甲板，使艦艇排水量達(dá)到設(shè)計(jì)排水量，并調(diào)整重心位置與設(shè)計(jì)值一致。根據(jù)相關(guān)資料［8］，流場(chǎng)的范圍在船體半寬4倍左右可以在精度和計(jì)算效率上取得很好的平衡。在導(dǎo)入有限元模型后，在ABAQUS中建立流場(chǎng)模型，并與船體裝配在一起。在船體外表面和流場(chǎng)表面采用TIE約束模擬爆炸后水與結(jié)構(gòu)的耦合作用。船體與流場(chǎng)有限元模型如圖2所示。其中，全船節(jié)點(diǎn)總數(shù)為107746，有限元單元總數(shù)為264040。

1.2 工況設(shè)置

為綜合考慮藥量、爆距等因素的影響，本文采用沖擊因子C描述非接觸爆炸工況［9］，即

式中:W為藥包質(zhì)量（等效TNT質(zhì)量）；

R為爆心位置到艦船結(jié)構(gòu)的最短距離。

在相同的沖擊因子下，艦船結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)可近似相等。本文擬從三個(gè)方面綜合校核該船體結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能，即:藥包沿船長(zhǎng)方向分布、藥包沿水深分布和不同攻角θ對(duì)船體結(jié)構(gòu)的影響。

（1）工況1～工況3為藥包沿船長(zhǎng)方向分布，取沖擊因子為0.53，藥包位置分別在船艏處、船舯處和船艉處三種情況，重點(diǎn)考核船舶結(jié)構(gòu)響應(yīng)的變化。

（3）工況4～工況6為不同爆距對(duì)船體結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)的影響，爆點(diǎn)位置均在船舯正下方，分別取沖擊因子0.58、0.63、0.70進(jìn)行對(duì)比分析。工況7～工況9為不同攻角下非接觸爆炸對(duì)船體結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。爆點(diǎn)位置在船舯正下方，沖擊因子0.58，攻角分別為30°、60°、90°。 藥包布置方式如圖 3 所示:

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 藥包沿船長(zhǎng)方向分布

工況1～工況3主要考察爆心在船艏、船舯和船艉三個(gè)典型位置時(shí)，船體結(jié)構(gòu)的響應(yīng)沿船長(zhǎng)的分布規(guī)律，以及在上述工況中船體結(jié)構(gòu)抗沖擊性能，評(píng)估其薄弱環(huán)節(jié)。下面給出三種工況下船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖，如圖4所示。

由云圖可以看出，當(dāng)爆炸沖擊波到達(dá)結(jié)構(gòu)表面時(shí)，由于藥包位置不同，船體結(jié)構(gòu)靠近藥包位置的局部區(qū)域應(yīng)力最大，并沿船長(zhǎng)方向向其他結(jié)構(gòu)傳遞，船體結(jié)構(gòu)整體效應(yīng)明顯。為了更直觀的研究船體響應(yīng)沿船長(zhǎng)方向分布，將該船沿船長(zhǎng)方向平均分成20個(gè)區(qū)域，分別提取各分段的無量綱譜速度和無量綱譜加速度，通過樣條曲線繪制不同藥包位置船體沿船長(zhǎng)方向無量綱譜速度與譜加速度分布曲線，如圖5、圖6所示。

由圖5可以看出，在爆距為60 m的遠(yuǎn)場(chǎng)爆炸載荷下，隨著藥包沿船長(zhǎng)位置的不同，船體結(jié)構(gòu)的無量綱譜速度整體分布均勻，在藥包所在位置響應(yīng)略微偏高，并沒有陡峭的峰值。說明在武器攻擊引起的遠(yuǎn)場(chǎng)爆炸下，艦船主要體現(xiàn)整體響應(yīng)，總體效應(yīng)明顯。圖6中無量綱加速度曲線變化也較平緩，沒有出現(xiàn)劇烈的峰值，也很好地證明了這一點(diǎn)。

2.2 油船結(jié)構(gòu)響應(yīng)沿垂向分布

工況4～工況6主要考察不同爆距對(duì)油船結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)的影響，由于藥包均布置在船舯正下方，為不失一般性，分別選取船舯部位外底板及主甲板典型部位的垂向加速度時(shí)歷曲線，如圖7所示。

由圖7可見，在水下非接觸爆炸發(fā)生后，船體結(jié)構(gòu)的外底板結(jié)構(gòu)加速度快速增大，在0.01～0.02 s內(nèi)達(dá)到峰值，這是由于外底板是船體最靠近爆心位置的結(jié)構(gòu)，沖擊波最先到達(dá)，隨著爆距的減小，其沖擊波作用產(chǎn)生加速度峰值逐漸遞增。

對(duì)比相同工況的主甲板加速度曲線，沖擊波最先到達(dá)的外底板結(jié)構(gòu)加速度曲線波形陡峭，包含大量高頻毛刺，這一般是由于沖擊波的前驅(qū)波所致。達(dá)到峰值后，外底板結(jié)構(gòu)的加速度迅速減小，并在0.2 s內(nèi)趨于平緩，這是由于船體外板在遭受沖擊波作用時(shí)與水產(chǎn)生劇烈的耦合作用，其能量很快損耗，使外板加速度很快趨近于0。而主甲板在空氣中自由振蕩，其加速度減緩的速度明顯低于外底板，在爆炸發(fā)生后0.2 s，其加速度仍在0附近上下振蕩。

沖擊波在船體結(jié)構(gòu)傳遞中能量不斷衰減，通過主甲板加速度曲線可以直觀地觀察到其主甲板加速度峰值要大幅低于外底板，且具有明顯的低頻成分。這是船體結(jié)構(gòu)的低通濾波效應(yīng)引起的，低頻成分來自沖擊波激起的船體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的固有頻率振動(dòng)。

2.3 油船結(jié)構(gòu)響應(yīng)隨攻角分布

油船在遭受非接觸爆炸攻擊時(shí)，為考察相同爆距相同藥量下不同攻角對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷效應(yīng)，定義無量綱攻擊角度為θ/（π/2），其中θ為爆炸攻擊角度，分別取 30°、60°、90°三個(gè)典型角度。 工況 7～工況 9對(duì)船體結(jié)構(gòu)響應(yīng)受攻角影響進(jìn)行探究，其無量綱譜速度V及譜加速度A隨無量綱攻擊角的變化如圖8～圖9所示。

由圖可以看出，隨著攻角的增大，船舯部位的無量綱譜速度V逐漸增大，無量綱譜加速度A也略有增加，但整體趨勢(shì)平緩，沒有較大的變化，可以認(rèn)為攻角的變化對(duì)油船結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)影響很小。這與中遠(yuǎn)場(chǎng)爆炸艦船局部效應(yīng)不明顯，整體效應(yīng)占主要因素有關(guān)。

3 結(jié) 論

本文采用ANSYS對(duì)某油船結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，通過ABAQUS對(duì)油船模型在遭受水下武器攻擊時(shí)的非接觸爆炸載荷進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)不同藥包位置不同藥量對(duì)船體結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)的影響進(jìn)行分析、總結(jié)規(guī)律，得出以下結(jié)論:

（1）武器攻擊造成的中遠(yuǎn)場(chǎng)水下非接觸爆炸爆心位置對(duì)船體結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)的分布影響很小，船上各部分的響應(yīng)趨于均勻化。油船的沖擊響應(yīng)主要表現(xiàn)為總體響應(yīng)，其局部效應(yīng)并不明顯。

（2）爆距對(duì)船體結(jié)構(gòu)的響應(yīng)有直接影響，隨著爆距的減小，艦船結(jié)構(gòu)響應(yīng)逐漸增大，且外底板最靠近爆點(diǎn)，受到非接觸爆炸的威脅最大，需適當(dāng)加強(qiáng)。

（3）沖擊波在船體結(jié)構(gòu)中的傳遞會(huì)損耗大量能量，主甲板結(jié)構(gòu)響應(yīng)遠(yuǎn)小于外底板。合理的總體區(qū)劃和艙室布置可以大大提高艦船設(shè)備及人員的安全。

（4）遠(yuǎn)場(chǎng)爆炸時(shí)沖擊波的球面效應(yīng)不明顯，其爆炸攻角對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響不大。

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