水下爆炸作用下箱型梁艦船沖擊環(huán)境數(shù)值研究

吳子奇，王耀輝，呂 帥，劉翠丹

(哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

水下爆炸作用下箱型梁艦船沖擊環(huán)境數(shù)值研究

吳子奇，王耀輝，呂 帥，劉翠丹

(哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

艦船的沖擊環(huán)境研究是艦船抗爆炸抗沖擊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。箱型梁作為新型甲板結(jié)構(gòu)，勢(shì)必會(huì)從結(jié)構(gòu)形式和總布置2個(gè)方面改變艦船剛度和質(zhì)量的分布，從而改變了艦船的沖擊環(huán)境。本文通過數(shù)值仿真技術(shù)，建立箱型梁結(jié)構(gòu)艦船水下爆炸模型，運(yùn)用沖擊響應(yīng)譜分析方法對(duì)箱型梁艦船結(jié)構(gòu)沖擊環(huán)境進(jìn)行研究，將箱型梁艦船沖擊環(huán)境特性與母型船進(jìn)行對(duì)比，并將箱型梁內(nèi)外沖擊環(huán)境特性進(jìn)行描述，得出箱型梁－艦船沖擊環(huán)境特性規(guī)律，對(duì)箱型梁艦船抗水下爆炸沖擊設(shè)計(jì)有一定的參考意義。

水下爆炸;箱梁;沖擊響應(yīng)譜;沖擊環(huán)境

0 引言

軍用船舶在執(zhí)行任務(wù)過程中不可避免地會(huì)遭受導(dǎo)彈、魚雷、水雷等武器的威脅和打擊，隨著武器威力及制導(dǎo)技術(shù)的不斷更新?lián)Q代，艦船被打擊命中的概率越來越大，且損傷效果也越來越嚴(yán)重，為此各國(guó)海軍在艦船抗水下爆炸性能方面開展了大量研究［1］。其中，艦船設(shè)備抗沖擊性能是反映艦船生命力的重要環(huán)節(jié)，是評(píng)估艦船設(shè)備抗沖擊能力的基礎(chǔ)。水面艦船及設(shè)備系統(tǒng)的抗沖擊能力直接關(guān)系到艦船戰(zhàn)斗力、生命力，沖擊環(huán)境作為抗爆抗沖擊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，引起了越來越多的關(guān)注［2］。

艦船沖擊環(huán)境主要通過理論研究、試驗(yàn)研究、數(shù)值研究等方法，由此開展了眾多研究［3－5］。由于艦船在水下爆炸作用下結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)為強(qiáng)非線性過程，其作用過程十分復(fù)雜，因此理論研究?jī)H適用于求解簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的動(dòng)響應(yīng)問題，不適合求解復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu);而對(duì)艦船沖擊環(huán)境研究最有效、最真實(shí)的方法是實(shí)船試驗(yàn)，歐美海軍強(qiáng)國(guó)大都以此來對(duì)艦船的沖擊環(huán)境進(jìn)行研究，但實(shí)船試驗(yàn)費(fèi)用高且可操作性不強(qiáng)。然而數(shù)值計(jì)算方法克服了以上諸多不利因素，對(duì)艦船沖擊環(huán)境研究起到很大的促進(jìn)作用。

隨著艦船抗水下爆炸性能研究的迅速發(fā)展，箱型梁作為新型結(jié)構(gòu)形式已在現(xiàn)代艦船上得到應(yīng)用，德國(guó)F－124“薩克森”級(jí)護(hù)衛(wèi)艦(見圖1）及其姊妹艦等均采用箱型梁結(jié)構(gòu)。箱型梁的應(yīng)用不僅改變了艦船結(jié)構(gòu)，同時(shí)也影響了艦船的抗沖擊響應(yīng)特性。因此，研究箱型艦船的沖擊環(huán)境和結(jié)構(gòu)抗沖擊響應(yīng)特性，對(duì)促進(jìn)艦船及設(shè)備系統(tǒng)的抗水下爆炸沖擊性能和提高艦船生命力起重要作用。

1 數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)已有研究成果［6］確定箱型梁具體布置形式，并以此為依據(jù)建立箱型梁艦船數(shù)值模型。以現(xiàn)有艦船模型為母型船，在其內(nèi)部連續(xù)甲板上加裝3根尺寸近似的縱向箱型梁，使之貫穿船體并與強(qiáng)橫艙壁組成加強(qiáng)框架體系，其中2舷側(cè)箱型梁水平對(duì)稱布置于舷頂外板和甲板邊板處，中間箱型梁布置于原甲板龍骨處并位于艦船前、后大開口之間，如圖2所示，經(jīng)模態(tài)分析驗(yàn)證模型準(zhǔn)確有效。

圖1 德國(guó)F－124“薩克森”級(jí)護(hù)衛(wèi)艦Fig.1 Germany F－124 Saxon class frigates

圖2 箱型梁艦船示意圖Fig.2 Sketch of box-girder ship

經(jīng)驗(yàn)證，箱型梁艦船和母型船2種數(shù)值仿真模型一階和二階固有頻率較實(shí)船模型誤差均控制在較小范圍內(nèi)以內(nèi)，所以初步認(rèn)為2種模型準(zhǔn)確有效。

2 沖擊響應(yīng)譜

沖擊響應(yīng)譜是一種帶有一定阻尼或無阻尼單自由度振子對(duì)沖擊激勵(lì)的最大響應(yīng)隨振子固有頻率變化的圖譜［7］，最早由布洛特(Blot.M.A）于1963年提出。沖擊響應(yīng)譜可用以直接估計(jì)某一沖擊引起的最大響應(yīng)水平，評(píng)定它對(duì)結(jié)構(gòu)或設(shè)備造成的影響。因此，它可以為沖擊隔離的設(shè)計(jì)與沖擊環(huán)境的模擬提供基本數(shù)據(jù)，是一種廣為接受的描述沖擊環(huán)境的方法［8］。沖擊響應(yīng)譜是一種四維的響應(yīng)圖譜，橫坐標(biāo)表示頻率，縱坐標(biāo)表示速度，與橫坐標(biāo)成+45°坐標(biāo)系表示相對(duì)位移，與橫坐標(biāo)成－45°坐標(biāo)系表示加速度。為規(guī)范沖擊環(huán)境操作，首先提取考核點(diǎn)的加速度歷時(shí)曲線，經(jīng)濾波分析后，使用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部程序進(jìn)行計(jì)算沖擊響應(yīng)數(shù)據(jù)，最終畫出沖擊譜并讀出該考核點(diǎn)的譜位移、譜速度和譜加速度，流程如圖3所示。

圖3 繪制沖擊響應(yīng)譜流程Fig.3 Process of drawing the shock response spectrum

3 工況設(shè)置

水下爆炸會(huì)產(chǎn)生沖擊波和氣泡載荷2個(gè)階段效應(yīng)。氣泡載荷通常引起艦船結(jié)構(gòu)低頻響應(yīng)［9－11］，從而對(duì)艦船造成整體毀傷。沖擊波載荷對(duì)艦船破壞具有較大的復(fù)雜性和不確定性，在研究過程中通常采用沖擊因子來描述攻擊強(qiáng)烈程度［12－13］。沖擊因子與藥包質(zhì)量和爆距及攻角有關(guān)，通常水面艦船采用龍骨沖擊因子KSF和殼板沖擊因子HSF兩種定義方式，根據(jù)考核對(duì)象不同，所選取的沖擊因子也不同 (見圖4）。

圖4 不同沖擊因子爆距示意圖Fig.4 Blasting distances of different shock factor

其中龍骨沖擊因子用于評(píng)估沖擊環(huán)境，而板殼沖擊因子用于評(píng)估艦船局部和總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。本文對(duì)應(yīng)2種艦船結(jié)構(gòu)毀傷等級(jí)，以30°攻角0.32和0.38龍骨沖擊因子為典型工況，采用箱型梁艦船整船為計(jì)算模型，以典型剖面的各層甲板為考核對(duì)象。

4 箱型梁艦船沖擊環(huán)境分析

箱型梁在艦船結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，勢(shì)必會(huì)從結(jié)構(gòu)形式和總布置2個(gè)方面改變艦船剛度和質(zhì)量的分布，從而改變艦船的沖擊環(huán)境特征。為研究箱型梁艦船沖擊環(huán)境特性，在沿船長(zhǎng)方向分別選取0.25L，0.5L和0.75L三個(gè)典型剖面進(jìn)行分析。在某特定工況下，選取考核剖面的各層甲板上若干考核點(diǎn)進(jìn)行研究。如圖5所示，X軸正方向指向船尾，Y軸正方向指向?yàn)橛蚁?，Z軸正方向?yàn)殂U垂向上。

4.1 兩種工況下橫向和垂向沖擊環(huán)境的比較

圖5 典型剖面示意圖Fig.5 Sketch of typical transverse sections

圖6 橫向與垂向沖擊環(huán)境比較Fig.6 Sketch of horizontal and vertical shock environment

選取0.5L為典型考核剖面，對(duì)不同工況下艦船結(jié)構(gòu)橫向和垂向的沖擊環(huán)境進(jìn)行研究。圖6為2種工況下箱形梁艦船結(jié)構(gòu)響應(yīng)沿船寬分布曲線。由圖可知，0.38沖擊因子作用效果較0.32沖擊因子作用效果顯著，約為其1～1.5倍;在同一工況下，垂向作用效果遠(yuǎn)高于其橫向作用效果，約為其3倍。因此，在沖擊環(huán)境考核過程中，著重考核2種工況下垂向譜位移、譜速度和譜加速度。

4.2 原船與箱型梁艦船典型剖面比較

選取0.5L作為典型考核剖面，對(duì)不同工況下箱形梁艦船和母型船一甲板和二甲板的沖擊環(huán)境進(jìn)行研究，圖7和圖8為2種工況下艦船結(jié)構(gòu)響應(yīng)沿船寬分布曲線。

圖7 箱型梁艦船與原船一甲板沖擊環(huán)境比較Fig.7 1st deck of box-girder ship and original ship shock environment

圖8 箱型梁艦船與原船二甲板沖擊環(huán)境比較Fig.8 2nd deck of box-girder ship and original ship shock environment

表1 箱型梁艦船與原船甲板沖擊環(huán)境平均值 (0.38工況）Tab.1 The decks shock environment average of box-girder ship and original ship

由圖7可知，一甲板由于布置了箱型梁，重量與剛度均有改變，使得箱型梁艦船譜位移和譜速度較原船有所增加，而甲板箱型梁處譜加速度較原船有所減小，且箱型梁艦船譜加速度沿船寬變化趨勢(shì)較原船光順平穩(wěn)。由圖8可知，二甲板由于受一甲板影響，箱型梁艦船的譜位移和譜速度較原船有所增加，但變化趨勢(shì)大致相同，而譜加速度較原船變化不大，僅在受沖擊方向譜加速度有一定增加。由表1可知箱型梁艦船一、二甲板平均譜位移較原船分別增大52.5%和36.3%，平均譜速度較原船分別增大26.7%和22.2%，而一甲板平均譜加速度減小11%，二甲板平均譜加速度增大14.4%。

4.3 箱型梁艦船同一甲板不同剖面比較

取箱型梁艦船0.25L，0.5L和0.75L典型考核剖面，在0.38沖擊因子作用下，選取相對(duì)應(yīng)考核點(diǎn)進(jìn)行譜位移、譜速度和譜加速度比較，圖9和圖10為2種工況下艦船結(jié)構(gòu)響應(yīng)沿船寬分布曲線。

圖9 箱型梁艦船一甲板0.25L，0.5L與0.75L剖面比較Fig.9 1st deck 3 typical transverse sections shock environment of box-girder ship

圖10 箱型梁艦船二甲板0.25L，0.5L與0.75L剖面比較Fig.10 2st deck 3 typical transverse sections shock environment of box-girder ship

表2 箱型梁艦船各剖面甲板平均值Tab.2 The decks shock environment average of box-girder ship

由圖9可知，一甲板舷側(cè)箱型梁譜位移和譜速度沿船長(zhǎng)方向變化幅度較小，譜加速度無明顯變化規(guī)律，而一甲板其他位置譜位移、譜速度和譜加速度沿船長(zhǎng)方向變化幅度明顯。由圖10可知，二甲板譜位移、譜速度和譜加速度總體變化趨勢(shì)相似，二甲板0.25L剖面處譜位移、譜速度和譜加速度變化幅度均高于其他剖面。由表2可知箱型梁艦船一甲板最大平均譜位移在0.5L剖面處為2.6 cm，最大平均譜速度在0.75L剖面處為1.3 m/s，最大平均譜加速度在0.75L剖面處為108.4 g;箱型梁艦船二甲板最大平均譜位移、譜速度和譜加速度均在0.25L剖面處分別為3.2 cm，1.9 m/s和149.9 g。

4.4 箱子型船內(nèi)部沖擊環(huán)境特性分析

箱型梁內(nèi)部沖擊環(huán)境關(guān)系到箱型梁內(nèi)部能否對(duì)縱向設(shè)置的管路、電纜提供保護(hù)。因此，選取箱型梁內(nèi)底作為其內(nèi)部沖擊環(huán)境的考核對(duì)象。為更好地研究箱型梁內(nèi)部沖擊環(huán)境特性，將箱型梁內(nèi)部和外部沖擊環(huán)境進(jìn)行對(duì)比，依然在某特定工況下，以0.25L，0.5L和0.75L三個(gè)典型剖面進(jìn)行分析研究。

4.4.1 0.25L剖面箱型梁內(nèi)部沖擊特性

圖11 0.25L剖面箱型梁沖擊譜Fig.11 Shock response spectrum of typical transverse sections

表3 0.25L剖面箱型梁沖擊譜數(shù)據(jù)Tab.3 Shock response spectrum datum of typical transverse sections

圖11為箱型梁艦船0.25L剖面各位置箱型梁內(nèi)、外部沖擊譜，其中數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)表3。由表3可知，在0.25L剖面處，兩舷側(cè)箱型梁內(nèi)部譜位移較外部分別降低7.4%和4.9%，譜速度較外部分別降低9.6%和15.5%，左舷側(cè)箱型梁內(nèi)部譜加速度較外部提高4.9%，而右舷側(cè)降低23%，中間箱型梁內(nèi)部譜位移、譜速度和譜加速度較外部分別提高2.8%，15.9%和54.7%。

4.4.2 0.5L剖面箱型梁內(nèi)部沖擊特性

圖12 0.5L剖面箱型梁沖擊譜Fig.12 Shock response spectrum of typical transverse sections

表4 0.5L剖面箱型梁沖擊譜數(shù)據(jù)Tab.4 Shock response spectrum datum of typical transverse sections

圖12為箱型梁艦船0.5L剖面各位置箱型梁內(nèi)沖擊譜，其中數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)表4。由表4可知，在0.5L剖面處，兩舷側(cè)箱型梁內(nèi)部譜位移較外部分別降低6.5%和8.2%，譜速度較外部分別提高5%和6%，譜加速度較外部分別提高76.8%和66.3%，中間箱型梁內(nèi)部譜位移、譜速度和譜加速度較外部分別降低16.6%，21%和23.4%。

4.4.3 0.75L剖面箱型梁內(nèi)部沖擊特性

圖13 0.75L剖面箱型梁沖擊譜Fig.13 Shock response spectrum of typical transverse sections

表5 0.75L剖面箱型梁沖擊譜數(shù)據(jù)Tab.5 Shock response spectrum datum of typical transverse sections

圖13為船0.7L剖面各位置箱型梁內(nèi)、沖擊譜，其中數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)表5。由表5可知，在0.7L剖面處，兩舷側(cè)箱型梁內(nèi)部譜位移較外部分別降低14.1%和10.4%，譜速度較外部分別提高11.2%和12.7%，左舷側(cè)箱型梁內(nèi)部譜加速度較外部降低3.5%，而右舷側(cè)提高18.8%，中間箱型梁內(nèi)部譜位移、譜速度和譜加速度較外部分別降低17.7%，17.4%和13.5%。

5 結(jié)語(yǔ)

通過上述仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，箱型梁引起了船體質(zhì)量增加和剛度分布的改變，使得相應(yīng)的船體抗沖擊環(huán)境有所改變，具體體現(xiàn)在譜位移、譜速度和譜加速度的改變。總體來說，箱型梁艦船一、二甲板平均譜位移和譜速度較原船有所增大，而一甲板譜加速度較原船略有減小，二甲板譜加速度較原船有所增大;箱型梁艦船一甲板譜位移、譜速度和譜加速度幅值較二甲板大;箱型梁內(nèi)部譜位移和譜速度較箱型梁外部略有所減小，內(nèi)部譜加速度較外部有一定程度增加。綜上所述，箱型梁結(jié)構(gòu)甲板形式改變了艦船原有的沖擊環(huán)境特性，一定程度上加劇了個(gè)別位置的結(jié)構(gòu)抗沖擊響應(yīng)特性，因此對(duì)各甲板上的儀器設(shè)備及箱型梁內(nèi)部布置線纜、管路等，需要提高其抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)相應(yīng)位置及其連接結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步優(yōu)化。

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Numerical simulation study of box-girder ship shock environment

WU Zi-qi，WANG Yao-hui，LV Shuai，LIU Cui-dan
(College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

The research of naval ship shock environment of is the foundation of design of ship resistance to impact.Box-girder as a new deck form is bound to change the stiffness and quality from the structure and general arrangement，thus changes the ship shock environment.Through numerical simulation technology，the box-girder ship underwater explosion model is founded，the method of shock response spectrum analysis is used on the research of the ship shock environment，then the shock environment characteristics of the box-girder ship would be obtained，which is playing a guiding significance to the design of ship resistance to impact.

underwater explosion;box-girder;shock response spectrum;shock environment

O389

A

1672－7649(2013）03－0019－08

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.03.005

2012－07－09

國(guó)家安全重大基礎(chǔ)研究資助項(xiàng)目(613157020102）

吳子奇(1987－），男，碩士，研究方向?yàn)榇芭c海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造。