基于LS-DYNA對(duì)于艦艇艙室焊縫模擬方法

黃雪峰，樊壯卿，王偉力，傅磊，姜穎資

（海軍航空工程學(xué)院a.研究生管理大隊(duì)；b.兵器科學(xué)與技術(shù)系，山東煙臺(tái)264001）

基于LS-DYNA對(duì)于艦艇艙室焊縫模擬方法

黃雪峰a，樊壯卿a，王偉力b，傅磊a，姜穎資a

（海軍航空工程學(xué)院a.研究生管理大隊(duì)；b.兵器科學(xué)與技術(shù)系，山東煙臺(tái)264001）

探討了3種方法等效模擬焊縫結(jié)構(gòu)：材料賦值法，等效接觸法，等效約束法；對(duì)比分析了3種方法建模的簡(jiǎn)便性、計(jì)算的耗時(shí)性、結(jié)果的準(zhǔn)確性。材料賦值法可以準(zhǔn)確反映艙室焊縫結(jié)構(gòu)最先出現(xiàn)破口的位置以及破口延伸過程；等效接觸法建模與網(wǎng)格劃分過程簡(jiǎn)單，計(jì)算時(shí)間適中，準(zhǔn)確度較高；等效約束法網(wǎng)格劃分要求節(jié)點(diǎn)不重合，計(jì)算時(shí)間較短，但焊點(diǎn)個(gè)數(shù)設(shè)置不易把握。

艦艇艙室；內(nèi)爆炸；焊縫；數(shù)值仿真

隨著現(xiàn)代反艦武器的迅速發(fā)展，各種高性能的半穿甲反艦戰(zhàn)斗部成為水面艦艇水線以上部分側(cè)舷的主要威脅，其對(duì)艦攻擊破壞特點(diǎn)是穿透艦艇舷側(cè)外板在艙室內(nèi)部發(fā)生爆炸，大大增加其對(duì)艦艇的爆炸毀傷威力。比較靶船結(jié)構(gòu)的破壞模式與敞開環(huán)境下加筋板架結(jié)構(gòu)的破壞模式可知，艙內(nèi)封閉空間中的爆炸沖擊載荷遠(yuǎn)較敞開環(huán)境中的爆炸載荷復(fù)雜。因此，研究艙內(nèi)爆炸效應(yīng)對(duì)于艦艇毀傷研究十分重要[1-3]。

美國等軍事強(qiáng)國曾多次進(jìn)行反艦導(dǎo)彈打擊退役艦艇的驗(yàn)證試驗(yàn)[4]。然而實(shí)彈打擊實(shí)船試驗(yàn)，對(duì)測(cè)量技術(shù)有很高的要求，花費(fèi)巨大，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，試驗(yàn)重復(fù)性差。國內(nèi)研究艙室內(nèi)爆炸主要通過模型試驗(yàn)與數(shù)值仿真分析。侯海量、朱錫等采用典型艙室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了縮比艙內(nèi)爆炸模型試驗(yàn)，并通過商用有限元軟件MSC/DYTRAN仿真分析得出艙內(nèi)加筋結(jié)構(gòu)的失效模式[5]。魏繼峰等[6]建立小體積簡(jiǎn)化艙室進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用商用軟件仿真分析艙內(nèi)失效模式。艙室結(jié)構(gòu)上甲板、下甲板、側(cè)舷、扶強(qiáng)梁等結(jié)構(gòu)都是通過焊接方式連接在一起。大部分焊縫結(jié)構(gòu)位于艙室角隅處，由于沖擊波在角隅處的匯聚作用及焊縫處殘余應(yīng)力等因素的影響，焊縫處容易出現(xiàn)失效被撕裂破口[7-9]。因此，在艙室內(nèi)爆炸數(shù)值仿真中如何等效模擬焊縫結(jié)構(gòu)是艙室內(nèi)爆炸數(shù)值仿真的關(guān)鍵。

本文以高動(dòng)態(tài)非線性有限元軟件LS-DYNA為例，探討了3種模擬焊縫的方法：材料賦值法，等效接觸法，等效約束法。對(duì)比分析了3種方法在建模的簡(jiǎn)便性，計(jì)算的耗時(shí)性，結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 模擬方法及失效原理

1.1 材料賦值法

艦艇艙室結(jié)構(gòu)無論采用何種焊接技術(shù)，連接處焊接物質(zhì)的材料特性如密度、屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、失效應(yīng)變等都可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得。材料賦值法即是在獲得以上材料參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值仿真分析。運(yùn)用材料賦值法在建立艙室結(jié)構(gòu)模型時(shí)將艙室結(jié)構(gòu)建為一體，在艙壁連接處“切出”2～3 cm的部分，“切出部分”賦予焊縫材料參數(shù)，其他部分賦予船用鋼材料參數(shù)。在數(shù)值計(jì)算過程中，根據(jù)選用的材料模型與狀態(tài)方程的不同，判別是否失效，若達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)，則單元被刪除。圖1中，模型采用實(shí)體164單元，網(wǎng)格采用映射網(wǎng)格，均為六面體八節(jié)點(diǎn)拉格朗日網(wǎng)格，計(jì)算精度高，角隅艙壁連接即為預(yù)先“切出”的賦值部分。選用的材料模型采用應(yīng)變率相關(guān)和失效相結(jié)合的各向同性塑性隨動(dòng)硬化模型：

式（1）～（4）中：σ0為常溫下靜態(tài)屈服強(qiáng)度；σy為不同溫度下的屈服強(qiáng)度；σd為不同應(yīng)變率下材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度；E為彈性模量；Eh為應(yīng)變硬化模量；εp為等效塑性應(yīng)變；ε˙為等效塑性應(yīng)變率；D、n為材料應(yīng)變率常數(shù)；T為溫度。

爆炸沖擊波到達(dá)角隅處產(chǎn)生匯聚，當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到焊縫的失效強(qiáng)度，焊縫材料出現(xiàn)失效，單元被刪除，當(dāng)大面積被刪除時(shí)，即艙壁角隅產(chǎn)生破口被撕裂。

圖1 材料賦值法仿真模型Fig.1 Simulation model of material value assignment method

1.2 等效接觸法

等效接觸法在模型建立過程中可以將艙室上、下甲板及側(cè)舷、橫壁等分開建模，在角隅處接觸的地方設(shè)定合適的接觸類型等效模擬焊接連接。常用的接觸類型有面面接觸中的固連失效接觸（TSTS）類型。艙室內(nèi)爆炸過程中，炸藥爆炸產(chǎn)生沖擊波與爆轟產(chǎn)物迅速向艙室內(nèi)傳播，到達(dá)艙壁對(duì)艙壁作用，使艙室膨脹拉伸在角隅處產(chǎn)生撕裂破口，因而可以將爆炸形成的破壞載荷等效為法向載荷與切向載荷。

圖2為采用等效接觸法建立的仿真模型，采用實(shí)體164單元，均為六面體八節(jié)點(diǎn)拉格朗日網(wǎng)格，不要求交界處的網(wǎng)格相互對(duì)應(yīng)，網(wǎng)格較粗的為主面，網(wǎng)格較細(xì)的為從面。

圖2 等效接觸法仿真模型Fig.2 Simulation model of equivalent contact method

采用固連失效接觸，其失效準(zhǔn)則符合

式（5）中：FN為法向動(dòng)態(tài)失效應(yīng)力；FS為切向動(dòng)態(tài)失效應(yīng)力；σN為法向應(yīng)力載荷；σS為切向應(yīng)力載荷。

1.3 等效約束法

等效約束法同等效接觸法建模方法類似，其模型與圖2類似，區(qū)別之處在于通過定義一組點(diǎn)焊約束來等效模擬焊接連接。其原理是將破壞載荷等效為法向載荷與切向載荷。而艙室內(nèi)爆炸中，艙壁受爆炸載荷作用之后，角隅處的破壞載荷也可等效為法向拉伸載荷與切向剪切載荷共同作用的效果，符合等效約束失效準(zhǔn)則。

失效準(zhǔn)則可以表達(dá)為

式（6）中：fN、fS分別是點(diǎn)焊的動(dòng)態(tài)法向和切向力；SN、SS分別為點(diǎn)焊的法向和切向破壞力；α、β分別為失效準(zhǔn)則中法向力和切向力指數(shù)，一般情況下取值為2。

點(diǎn)焊要求2部件之間的節(jié)點(diǎn)不重合，節(jié)點(diǎn)之間的邊界是無質(zhì)量的和剛性的，且除此約束之外沒有其他任何約束，因而要求交界面處的網(wǎng)格必須不對(duì)應(yīng)。

2 破壞效果及對(duì)比分析

2.1 艙內(nèi)爆炸描述

炸藥在艙內(nèi)爆炸形成沖擊波向周圍傳播，當(dāng)沖擊波到達(dá)艙壁結(jié)構(gòu)后，在艙壁表面形成反射沖擊波，部分向爆心匯聚，另一部分沿艙壁傳播，當(dāng)傳播到艙室角隅部位時(shí)，沖擊波匯聚，強(qiáng)度疊加；向爆心匯聚的反射沖擊波相互作用形成二次沖擊波，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生二次沖擊。由于艙室結(jié)構(gòu)限制，爆炸產(chǎn)生的高溫、高壓氣體無法及時(shí)向外擴(kuò)散，以上反射與匯聚反復(fù)多次，能量逐漸衰減，艙內(nèi)流場(chǎng)形成準(zhǔn)靜態(tài)壓力。艙室角隅處容易造成沖擊波和爆轟產(chǎn)物的匯聚，匯聚作用引起角隅處壓力峰值增大，甚至大于初始沖擊波波峰，焊縫連接處為艙室結(jié)構(gòu)的角隅處，在爆炸載荷作用下最易發(fā)生破裂。

2.2 仿真結(jié)果

采用上述3種方法模擬艙室內(nèi)爆炸中艙壁交界處的焊縫，模型均為實(shí)體164單元，艙壁所選用的采用塑性隨動(dòng)材料Plastic-Kinematic模型[10-12]，材料參數(shù)為船用907鋼，具體參數(shù)見表1。

表1 艙室的材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of cabin

艙室內(nèi)炸藥均為65 kgTNT裸裝藥，裝藥密度為1.54 g/cm3，位于艙室?guī)缀沃行?，炸藥質(zhì)量相等起爆方式為中心起爆；艙壁均采用拉格朗日算法，空氣和炸藥均采用多物質(zhì)歐拉算法，對(duì)稱面施加對(duì)稱約束，空氣四周全部采用透射邊界，運(yùn)用流固耦合算法耦合空氣炸藥艙壁，在耦合界面上采用罰函數(shù)法傳遞能量；以上條件保證了除焊縫處不同外其他影響因素一致。仿真結(jié)果局部放大圖如圖3所示。

圖3 3種方法角隅處焊縫破壞效果Fig.3 Damage effect of deck hatchcorners weld by 3 ways

從圖3中可以看出，3種方法表示下的焊縫均不同程度地破損，且破損位置、尺寸基本一致，角隅處的破損與艙內(nèi)爆炸描述相符，說明了3種等效模擬焊縫的方法是可行的。其中材料賦值法預(yù)留的焊縫位于各個(gè)艙壁上，隨艙壁的厚度不同出現(xiàn)破損的效果不同，在圖3中，可以看出較薄的隔艙壁出現(xiàn)了破損而側(cè)舷與甲板尚未破損；在等效接觸法中接觸面的大小也直接影響了破損情況，這是由于在接觸判定過程中面積參與計(jì)算的原因；在等效約束法中，焊點(diǎn)個(gè)數(shù)設(shè)置直接影響破損效果，個(gè)數(shù)較多時(shí)焊接強(qiáng)度大。

2.3 對(duì)比分析

材料賦值法需要預(yù)留焊縫位置，建模時(shí)艙室建為一體，網(wǎng)格劃分采用映射網(wǎng)格，要求對(duì)應(yīng)份數(shù)相同，其復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后兩者；等效接觸法采用分開建模，僅在接觸面設(shè)定接觸即可，不要求網(wǎng)格一致，而等效約束法要求網(wǎng)格必須不一致。從建模與網(wǎng)格劃分角度分析可知等效接觸法較為便捷。

從計(jì)算耗時(shí)性講，材料賦值法焊縫破損的原因是焊接材料由于達(dá)到失效強(qiáng)度而被刪除，耗時(shí)大于后兩者；接觸的判別每運(yùn)算一步都要判斷是否到達(dá)失效準(zhǔn)則，是否有穿透現(xiàn)象，耗時(shí)大于等效約束法。因此，等效約束法計(jì)算耗時(shí)少，CPU占有量較前兩者也較少。

從計(jì)算準(zhǔn)確度分析，材料賦值法在知道焊接材料參數(shù)的基礎(chǔ)上真實(shí)反映了焊縫處的結(jié)構(gòu)和失效過程；等效接觸法與等效約束法都是將破壞載荷等效為法向載荷和切向載荷，是實(shí)際情況的簡(jiǎn)化，但不要求知道焊縫材料的具體材料參數(shù)；而等效約束法對(duì)焊點(diǎn)個(gè)數(shù)設(shè)置要求適當(dāng)，焊點(diǎn)個(gè)數(shù)較少時(shí)約束強(qiáng)度不夠，較多時(shí)不符合實(shí)際情況，個(gè)數(shù)設(shè)置不易把握，需要大量的仿真實(shí)驗(yàn)；等效接觸法仿真結(jié)果與材料賦值法最為接近，較為真實(shí)地反映了焊縫處的破損情況。

綜合分析，3種方法等效模擬焊縫的原理不同，但都可以不同程度地反映艙室內(nèi)爆炸角隅處焊縫結(jié)構(gòu)的失效效果，若準(zhǔn)確掌握焊縫材料參數(shù)，要求全面觀察焊縫處破損過程，可采用等效材料法，其單元失效之后刪除過程是逐步完成的，可以詳細(xì)觀察艙室角隅最先破損的部分以及破損之后破口延伸過程；若焊縫材料參數(shù)掌握不全或完全不知的情況下，則可以選擇等效接觸法與等效約束法，其中等效約束法計(jì)算時(shí)間較短，但準(zhǔn)確度不易把握；在具體仿真過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇較為便捷且有效反映毀傷效果的方法。

3 結(jié)論

艙室內(nèi)爆炸屬于高度非線性大變形載荷，影響因素復(fù)雜，在實(shí)際工程案例中，可根據(jù)需要選擇合適的等效方法。各個(gè)非線性動(dòng)態(tài)有限元仿真軟件雖然操作方法不同，但基本原理相似，本文以LS-DYNA為例，給出3種參考方法并得到如下結(jié)論。

1）材料賦值法的實(shí)效原理是炸藥破壞載荷達(dá)到焊接材料失效強(qiáng)度時(shí)，焊接材料單元被自動(dòng)刪除出現(xiàn)破口；等效接觸法的原理是將爆炸毀傷載荷等效為法向載荷與切向載荷，當(dāng)滿足實(shí)效準(zhǔn)則公式時(shí)，接觸實(shí)效產(chǎn)生破口；等效約束法是通過定義多個(gè)點(diǎn)焊約束，當(dāng)法向載荷與切向載荷到達(dá)約束實(shí)效準(zhǔn)則時(shí)，約束實(shí)效產(chǎn)生破口。

2）3種等效模擬艙室內(nèi)爆炸焊縫結(jié)構(gòu)的方法雖然原理不同，但均可以有效模擬艙室內(nèi)爆炸過程中角隅處的破損情況，且破損結(jié)果近似。

3）材料賦值法較為準(zhǔn)確地反映焊縫破損的最先出現(xiàn)位置及破損過程，但建模與網(wǎng)格劃分較為復(fù)雜；等效接觸法建模過程簡(jiǎn)單，網(wǎng)格劃分無特殊要求，網(wǎng)格較粗的可以為主面，較細(xì)的為從面；等效約束法建模過程與等效接觸法類似，當(dāng)網(wǎng)格劃分要求節(jié)點(diǎn)不重合。計(jì)算時(shí)間上等效約束法占用CPU與計(jì)算時(shí)間最短，但焊點(diǎn)個(gè)數(shù)設(shè)置不易把握，需要大量的仿真實(shí)驗(yàn)。

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Simulation Method of Ship Cabin Weld Based on LS-DYNA

HUANG Xue-fenga,FAN Zhuang-qinga,WANG Wei-lib,FU Leia,JIANG Ying-zia
（Naval Aeronautical and Astronautical University a.Graduate Students'Brigade; b.Department of Ordnance Science and Technology,Yantai Shandong 264001,China）

Three kinds of equivalent simulation method of weld was discussed such as material assignment method,equivalent contact method,equivalent constraint method.And then the three methods were comparative analyzed on the simplicity of modeling,the calculation of time,the accuracy of the results.The material assignment method reflect accurately the cabin weld appears first bread position and the break elongation process.By using the equivalent contact method,modeling and meshing process was simple,calculation time is proper,and calculation result is accurate.The calculation process was short,but the equivalent constraint method required non-coincide nodes,and handling the number of spot inside weld was difficult.

warship cabin;internal explosion;weld;numerical simulation

TJ410.3

A

1673-1522（2014）04-0365-04

10.7682/j.issn.1673-1522.2014.04.014

2014-02-28；

2014-04-23

黃雪峰（1983-），男，博士生。