水下近場爆炸雙層防護(hù)結(jié)構(gòu)抗爆能力的數(shù)值模擬分析

陳　崧，楊雄輝，唐文勇，郭　婭，蘇怡然

水下近場爆炸雙層防護(hù)結(jié)構(gòu)抗爆能力的數(shù)值模擬分析

陳崧1，楊雄輝2，唐文勇3，郭婭3，蘇怡然3

1海軍駐中國艦船研究設(shè)計中心軍事代表室，湖北武漢430064
2中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064
3上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室，上海200240

同步考慮水下近場爆炸沖擊波載荷與氣泡射流載荷的作用，綜合分析雙層防護(hù)結(jié)構(gòu)型式及尺度對其抗爆能力的影響，可為雙層防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗爆設(shè)計提供直接技術(shù)支持。采用基于歐拉法的氣泡動力學(xué)程序模擬氣泡的近壁脈動過程，基于能量等效原則，將射流水柱對結(jié)構(gòu)的沖擊簡化為等效的射流載荷，通過編制MSC.Dytran軟件子程序，在沖擊波數(shù)值模擬階段后自動添加等效射流載荷，實現(xiàn)更接近實際情況的雙層防護(hù)結(jié)構(gòu)遭受水下近場爆炸過程的數(shù)值模擬。以內(nèi)殼單位板厚變形能表征雙層防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗爆能力強(qiáng)弱，通過改變結(jié)構(gòu)型式與尺寸參數(shù)，對不同支撐結(jié)構(gòu)板厚、內(nèi)殼板厚和內(nèi)外殼間距下結(jié)構(gòu)的抗爆能力進(jìn)行批量計算，以結(jié)構(gòu)總重和抗爆能力為雙重目標(biāo)，借鑒多目標(biāo)優(yōu)化思想，得到雙層結(jié)構(gòu)抗爆能力的最優(yōu)解集。計算結(jié)果表明:當(dāng)內(nèi)外殼厚度及其間距一定時，存在最佳支撐結(jié)構(gòu)板厚；在同等結(jié)構(gòu)重量情況下，Y型雙層結(jié)構(gòu)能提供更強(qiáng)的抗爆能力。

水下近場爆炸；雙層防護(hù)結(jié)構(gòu)；抗爆能力；沖擊波；射流

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20150128.1202.012.html

期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：陳崧，楊雄輝，唐文勇，等.水下近場爆炸雙層防護(hù)結(jié)構(gòu)抗爆能力的數(shù)值模擬分析［J］.中國艦船研究，2015，10（1）：32-38. CHEN Song，YANG Xionghui，TANG Wenyong，et al.Numerical simulation on the explosion-resistance capability of double shell structures subjected to underwater near-field explosion［J］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（1）：32-38.

0　引言

水下近場爆炸是指裝藥位置距離艦船結(jié)構(gòu)較近、能對艦船結(jié)構(gòu)造成巨大破壞的水下爆炸，它具有輸入能量大、破壞作用強(qiáng)等特點，是艦船服役期間受到的主要威脅之一。水下近場爆炸過程中結(jié)構(gòu)受到的載荷主要為爆炸前期的沖擊波載荷和爆炸后期的氣泡射流載荷［1］。沖擊波的本質(zhì)為壓力波，具有作用時間短、波頭壓力峰值高的特點，對結(jié)構(gòu)造成初步的損傷；在氣泡潰滅尾期，一股高速水流會穿透氣泡并作用于結(jié)構(gòu)上，對結(jié)構(gòu)造成二次沖擊。

對于這2種載荷及其與結(jié)構(gòu)相互作用的研究，已經(jīng)成為近年來的研究熱點。沖擊波載荷的數(shù)值模擬已經(jīng)相對成熟［2-3］，而對于氣泡載荷的研究，自從Reyleigh建立不可壓縮流場中球形氣泡的運動方程以來，許多學(xué)者也對氣泡潰滅的理論進(jìn)行了發(fā)展和完善。目前，求解水下氣泡脈動過程的數(shù)值算法主要包括基于勢流理論的邊界積分法和基于Navier-Stokes方程的歐拉法。前者計算效率高，但適用范圍有限，后者適用范圍廣，但計算效率低下。國內(nèi)張阿漫、宗智等［4-5］基于邊界積分法對氣泡脈動過程進(jìn)行了深入研究，取得較好的模擬效果。本文在模擬氣泡脈動的過程中，基于Navier-Stokes方程的歐拉法，采用近場壓力邊界條件，減小計算區(qū)域，提高歐拉法模擬水下氣泡的計算效率，計算結(jié)果分別與理論公式和實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，證明了該算法的可靠性與高效性［6］。

為防止艦船在遭受水下近場爆炸沖擊后失去生命力，新型雙層防護(hù)結(jié)構(gòu)成為艦船設(shè)計中重點采用的防護(hù)結(jié)構(gòu)型式之一。對于雙層防護(hù)結(jié)構(gòu)的型式以及在爆炸載荷下的動態(tài)響應(yīng)特性，張振華等［7］采用能量法對舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗爆機(jī)理進(jìn)行了研究。能量法在考慮雙層防護(hù)結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)計算時還有很多不完善的地方，所以對于雙層防護(hù)結(jié)構(gòu)近場水下爆炸時的動態(tài)響應(yīng)分析主要通過數(shù)值模擬來實現(xiàn)。張健等［8］利用MSC.Dytran軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了不同雙層結(jié)構(gòu)型式的抗爆能力；王耀輝等［9］借助AUTODYN通用軟件，分析了水下接觸爆炸作用下船體板架毀傷全過程；王超等［10］通過非線性有限元程序LS-DYNA，對水面艦船雙層結(jié)構(gòu)水下抗爆特性進(jìn)行數(shù)值模擬，分析各層結(jié)構(gòu)在遭受水中兵器接觸爆炸時的破壞模式，陳長海等［11］利用MSC.Dytran軟件對接觸爆炸作用下的艦船箱型梁結(jié)構(gòu)的止裂效應(yīng)進(jìn)行仿真模擬，并與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，表明了Dytran軟件數(shù)值分析結(jié)果的可靠性。但是這些文獻(xiàn)均沒有考慮射流載荷。

水下爆炸載荷實際上是沖擊波、氣泡脈動以及射流等聯(lián)合作用，但由于商業(yè)軟件的限制，現(xiàn)階段在數(shù)值模擬計算過程中一般是單獨考慮沖擊波載荷和射流載荷，分開進(jìn)行流固耦合模擬，然后將兩部分的計算結(jié)果進(jìn)行疊加［12-13］，這種方法與實際情況存在一定的差距。徐永剛等［14］利用數(shù)值分析法研究了水下爆炸沖擊波和氣泡聯(lián)合作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)值分析；Lee等［15］對水下爆炸作用下的薄板進(jìn)行了模型試驗。但目前對沖擊波和射流聯(lián)合作用下的新型雙層防護(hù)結(jié)構(gòu)動態(tài)性能研究較少，而且也較少考慮雙層結(jié)構(gòu)之間的接觸擠壓效應(yīng)以及外殼破損后水流對內(nèi)層結(jié)構(gòu)的沖擊。

為指導(dǎo)新型艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)型式的開發(fā)與尺寸設(shè)計，采用基于歐拉法的氣泡動力學(xué)程序計算氣泡射流載荷［6］，通過MSC.Dytran編寫用戶子程序，將等效后的射流載荷自動添加到?jīng)_擊波載荷作用階段后，完成沖擊波和射流載荷聯(lián)合作用下的結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真模擬。通過對不同形式、不同尺寸的雙層防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊波和射流聯(lián)合作用下的抗爆數(shù)值模擬，得到結(jié)構(gòu)在遭受沖擊波—射流聯(lián)合作用下的破壞程度，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對抗爆能力的影響規(guī)律，對相關(guān)結(jié)構(gòu)的抗爆設(shè)計有較好的指導(dǎo)意義。

1　基本方法

本文數(shù)值分析基于MSC.Dytran軟件，采用顯式直接積分法的拉格朗日求解器，以及通用流固耦合算法。

1.1模型參數(shù)

在求解可壓縮流體力學(xué)問題時，除質(zhì)量、動量、能量守恒方程外，還需要流體壓力與密度之間的關(guān)系，即流體狀態(tài)方程。

使用Jones-Wilkins-Lee（JWL）狀態(tài)方程描述高能炸藥，JWL狀態(tài)方程考慮了氣體分子間的作用力，適于描述具有較高密度的炸藥：

式中：P為壓力；η=ρ/ρ0為相對密度，其中ρ0為材料初始密度，ρ為變量密度；e0為比內(nèi)能；A，B，ω，R1和R2為炸藥參數(shù)，一般可通過實驗測定。對于TNT炸藥，JWL狀態(tài)方程參數(shù)和炸藥的初始狀態(tài)參數(shù)如表1所示。

表1　TNT炸藥JWL狀態(tài)方程參數(shù)Tab.1Parameters of the JWL state equation for TNT material

使用TAIT狀態(tài)方程描述水體：

式中：P為壓力；K=KT/n，KT為體積模量，n為非定常數(shù)，可通過實驗測定。

使用Johnson-Cook屈服模型［16］和最大等效應(yīng)變失效準(zhǔn)則描述結(jié)構(gòu)材料的本構(gòu)，動態(tài)失效應(yīng)變?nèi)?.3［17］：

1.2沖擊波射流聯(lián)合作用計算流程

在水下近場爆炸中，結(jié)構(gòu)會同時遭受沖擊波和射流沖擊，但是由于軟件功能的限制，目前一般需拆分沖擊波與射流的沖擊作用，無法實現(xiàn)既模擬裝藥爆炸產(chǎn)生沖擊波并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)流固耦合響應(yīng)的全過程，又同時模擬射流水柱沖擊導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

為同步考慮沖擊波與射流的沖擊作用，可通過單獨射流沖擊的結(jié)構(gòu)響應(yīng)預(yù)分析，將其等效為簡化的射流載荷，這樣便可在計算中同步施加沖擊波和射流載荷，而不需直接同步模擬水柱沖擊。整個計算流程如圖1所示。

圖1　結(jié)構(gòu)受沖擊波—射流聯(lián)合作用的數(shù)值模擬流程圖Fig.1　Schematic view for the numerical simulation of a structure subjected to explosive wave and jet impact

首先，根據(jù)給定的裝藥參數(shù)，采用自編氣泡動力學(xué)程序模擬氣泡的脈動過程［6］，并捕捉與射流沖擊載荷計算直接相關(guān)的參數(shù)，包括射流形狀、射流速度和射流沖擊時刻氣泡與結(jié)構(gòu)的距離等。利用MSC.Dytran求解器模擬結(jié)構(gòu)單獨受射流沖擊作用的動態(tài)過程，基于能量等效，得到結(jié)構(gòu)不同位置所受射流沖擊載荷的時程曲線。

隨后，利用MSC.Dytran求解結(jié)構(gòu)受沖擊波作用的動態(tài)過程，根據(jù)結(jié)構(gòu)的變形能和動能的時程曲線，當(dāng)結(jié)構(gòu)的變形能和動能趨于穩(wěn)定（一般在沖擊波作用30 ms后），此時即可調(diào)用MSC.Dytran子程序加載射流沖擊載荷。采用Dytran的EXFUNC用戶子程序，定義不同區(qū)域的射流載荷。通過TABLEEX選項卡將射流作用區(qū)域用不同名字標(biāo)識出來，在每一個時間步調(diào)用EXFUNC子程序，程序首先識別單元名字，判斷所屬受力區(qū)域，進(jìn)而對不同的受力區(qū)域施加不同的力。

內(nèi)殼所受的外力主要分2部分：一是由內(nèi)外殼接觸碰撞產(chǎn)生的擠壓力，該力由Dytran接觸算法來施加；另一部分是外殼破損進(jìn)水后流場對內(nèi)殼的沖擊力。在施加進(jìn)水沖擊力時，通過Dytran子程序識別出破損的外殼區(qū)域，然后在相對應(yīng)的內(nèi)殼板格施加沖擊力（圖2）。對于確定的板格，沖擊力PI可由式（4）求出。

式中：SI為內(nèi)殼板格的面積；SC為對應(yīng)外殼區(qū)域的破口面積；PJet為對應(yīng)外殼區(qū)域的射流沖擊載荷。

圖2　內(nèi)殼沖擊力計算原理Fig.2　Calculation method for impact loads of the inner shell

2　有限元模型

選取2種典型的雙層抗爆結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析（圖3）。根據(jù)內(nèi)外殼間支撐結(jié)構(gòu)的不同形式，2種結(jié)構(gòu)分別為具有I型支撐的雙層防護(hù)結(jié)構(gòu)（簡稱I型雙層結(jié)構(gòu)）和具有Y型支撐的雙層防護(hù)結(jié)構(gòu)（簡稱Y型雙層結(jié)構(gòu)）。在計算過程中，通過定義接觸關(guān)系，考慮雙層結(jié)構(gòu)內(nèi)、外殼和支撐結(jié)構(gòu)件的接觸擠壓作用。所有模型載荷均選取500 kg TNT炸藥于5 m水深、距結(jié)構(gòu)10 m遠(yuǎn)的位置爆炸，用來比較不同結(jié)構(gòu)對抗爆能力的影響。

圖3　典型雙層結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.3　FE model of typical double shell structures

3　抗爆能力分析

3.1衡量標(biāo)準(zhǔn)

雙層防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗爆原理為：外殼承受大部分沖擊力并通過支撐結(jié)構(gòu)向內(nèi)殼傳遞，支撐結(jié)構(gòu)通過自身變形發(fā)揮緩沖和吸能作用，從而保護(hù)內(nèi)殼。由于外板和支撐結(jié)構(gòu)在抗爆中的作用為吸能和緩沖，其破壞程度大小將不會影響雙層結(jié)構(gòu)的整體抗爆能力。綜上，優(yōu)良雙層防護(hù)結(jié)構(gòu)的目標(biāo)為盡量避免產(chǎn)生內(nèi)殼破口，減小內(nèi)殼變形。

為體現(xiàn)內(nèi)殼變形的程度大小，可以采用內(nèi)殼最大撓度指標(biāo)（Wm）、內(nèi)殼吸能指標(biāo)（Ed）、內(nèi)殼最大塑性應(yīng)變指標(biāo)（Pm）等。其中，Wm指標(biāo)在分析同一結(jié)構(gòu)的不同尺寸時表現(xiàn)良好，但在比較不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣時，會因結(jié)構(gòu)的不同而產(chǎn)生誤差；Pm指標(biāo)在內(nèi)殼發(fā)生破壞后將不具有區(qū)分度；Ed指標(biāo)宏觀地體現(xiàn)了內(nèi)殼的整體彎曲變形狀況，屏蔽了局部應(yīng)變與變形的失真，是衡量結(jié)構(gòu)抗爆能力的理想指標(biāo)，該指標(biāo)已廣泛運用于抗爆能力的比較中［7，10］。

但是Ed指標(biāo)在分析結(jié)構(gòu)內(nèi)殼板厚對抗爆能力的影響時具有不足：內(nèi)殼的變形能指標(biāo)Ed除了由內(nèi)殼的變形程度大小決定外，還會受內(nèi)殼板厚的影響，因此，Ed指標(biāo)不能直接反映內(nèi)殼變形程度的大小。為此，采用一種改進(jìn)的Ed指標(biāo)來表征內(nèi)殼變形程度，該指標(biāo)稱為內(nèi)殼單位板厚變形能指標(biāo)（Ept）。由于板的變形能約與板厚的3次方成正比，因此有

Ept是一個表征內(nèi)殼平均變形量的指標(biāo)，不受內(nèi)殼板厚大小等因素的影響，內(nèi)殼單位板厚變形能指標(biāo)Ept越小，則雙層結(jié)構(gòu)整體抗爆能力越優(yōu)。

3.2結(jié)構(gòu)尺寸對抗爆能力的影響

3.2.1支撐結(jié)構(gòu)板厚的影響

對于I型、Y型2種支撐結(jié)構(gòu)形式，將支撐結(jié)構(gòu)板厚依次取5～12 mm，支撐結(jié)構(gòu)上的加強(qiáng)筋隨著板厚的增大而相應(yīng)增大，內(nèi)殼板厚取10 mm，外殼板厚取12 mm，內(nèi)外殼間距1 m。計算結(jié)果如圖4所示。

圖4　Ept指標(biāo)隨支撐結(jié)構(gòu)板厚的變化趨勢Fig.4　Variation of Eptwith respect to the thickness of support structure

首先分析I型雙層結(jié)構(gòu)。從圖4可以看出，隨著支撐結(jié)構(gòu)板厚的增大（5～8 mm），結(jié)構(gòu)的抗爆能力緩慢增強(qiáng)。在這一階段，由于板厚相對較小，支撐結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生劇烈的屈曲和失效，內(nèi)外殼間會發(fā)生明顯的碰撞接觸。由于支撐結(jié)構(gòu)的變形和破壞會吸收一定能量，起到保護(hù)內(nèi)殼的作用，所以當(dāng)支撐結(jié)構(gòu)板厚增大時，更多的能量被其吸收，起到的緩沖作用也變得明顯，從而增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的總體抗爆能力。

隨著支撐結(jié)構(gòu)的板厚增大至8～11 mm，以內(nèi)殼吸能指標(biāo)衡量的結(jié)構(gòu)抗爆能力反而開始下降。在該階段，由于支撐結(jié)構(gòu)的緩沖作用，內(nèi)外殼間將不再發(fā)生碰撞接觸。隨著支撐結(jié)構(gòu)的逐漸增強(qiáng)，外殼與支撐結(jié)構(gòu)變形減小，越來越多的力直接從外殼傳遞至內(nèi)殼，使內(nèi)殼在外殼、支撐結(jié)構(gòu)尚未發(fā)生充分變形與吸能時就已產(chǎn)生變形，這對結(jié)構(gòu)抗爆能力是不利的，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)總體抗爆能力的下降。

當(dāng)支撐結(jié)構(gòu)板厚繼續(xù)增大至大于11 mm時，結(jié)構(gòu)的抗爆能力又會好轉(zhuǎn)。此時，支撐結(jié)構(gòu)框架已具有很大的剛度，成為雙層結(jié)構(gòu)的主要承力構(gòu)件，支撐結(jié)構(gòu)通過其剛度抵抗外力，對內(nèi)殼起到了保護(hù)作用。因此若板厚繼續(xù)增加，結(jié)構(gòu)的抗爆能力將提高。

綜上所述，支撐結(jié)構(gòu)在雙層結(jié)構(gòu)抗爆過程中的作用為：

1）支撐結(jié)構(gòu)有效提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度，起到承力的作用，該作用隨著支撐結(jié)構(gòu)板厚的增大而增大，提高抗爆能力；

2）支撐結(jié)構(gòu)作為傳力構(gòu)件將外殼受到的沖擊力傳遞到內(nèi)殼，使內(nèi)外殼聯(lián)合抵抗外力作用，但同時也使內(nèi)殼過早產(chǎn)生變形，反而降低結(jié)構(gòu)抗爆能力；

3）支撐結(jié)構(gòu)通過其變形起到緩沖和吸能作用，該作用隨著支撐結(jié)構(gòu)板厚的增大而先減小后增大，若板厚過小則吸能太少，若板厚過大則變形太小，因此存在一個最優(yōu)的板厚。

從圖4可以看出，I型結(jié)構(gòu)的最優(yōu)支撐結(jié)構(gòu)板厚約為8～9 mm。Y型雙層結(jié)構(gòu)的抗爆能力隨支撐結(jié)構(gòu)板厚的變化趨勢與I型雙層結(jié)構(gòu)基本一致，也呈現(xiàn)先減小后增大再減小的特點。但是，Y型雙層結(jié)構(gòu)的最優(yōu)板厚相對較小，約為6 mm。

3.2.2內(nèi)殼板厚的影響

對于I型、Y型2種結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)殼板厚依次取5～12 mm，內(nèi)殼加強(qiáng)筋隨板厚的增大而相應(yīng)增大，I型支撐結(jié)構(gòu)板厚取8 mm，Y型支撐結(jié)構(gòu)板厚取6 mm，外殼板厚取12 mm，內(nèi)外殼間距1 m。計算結(jié)果如圖5所示。

圖5　Ept指標(biāo)隨內(nèi)殼板厚的變化趨勢Fig.5　Variation of Eptwith respect to the thickness of inner shell

從圖中可以看出，隨著內(nèi)殼板厚的增加，結(jié)構(gòu)抗爆能力單向提高。當(dāng)外殼通過碰撞接觸以及支撐結(jié)構(gòu)傳遞至內(nèi)殼的能量一定時，內(nèi)殼越厚，其產(chǎn)生的變形也就越小；此外，內(nèi)殼板厚的增大還可有效提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，使雙層結(jié)構(gòu)作為一個整體來抵御沖擊作用。

對于2種結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)內(nèi)殼板厚小于10 mm時，內(nèi)殼板厚的增大對抗爆能力的提高較為明顯；當(dāng)內(nèi)殼板厚大于10 mm時，該提高作用逐步放緩，此時通過繼續(xù)增大內(nèi)殼板厚來提高結(jié)構(gòu)抗爆能力的方法效率并不高。

3.2.3雙層殼間距的影響

對于I型、Y型2種結(jié)構(gòu)形式，依次取雙層殼間距為1.0，1.1，1.2，1.3，1.4，1.6和1.8 m，內(nèi)殼板厚取10 mm，I型支撐結(jié)構(gòu)板取8 mm，Y型支撐結(jié)構(gòu)板厚取6 mm，外殼板厚取12 mm。計算結(jié)果如圖6所示。

圖6　Ept指標(biāo)隨內(nèi)外殼間距的變化趨勢Fig.6　Variation of Eptalong with respect to the distance between inner shell and outer shell

從圖5可以看出，增加雙層殼間距，結(jié)構(gòu)的總體抗爆能力會顯著增強(qiáng)。雙層殼間距的增大使支撐結(jié)構(gòu)的高度相應(yīng)變大，從而支撐結(jié)構(gòu)能夠吸收更多的能量；此外，外殼板格產(chǎn)生撕裂后，雙層殼間距越遠(yuǎn)，外殼碰撞內(nèi)殼的機(jī)會就越小，從而保護(hù)了內(nèi)殼。但是，增加雙層殼間距會顯著提升結(jié)構(gòu)重量。

3.3I型、Y型結(jié)構(gòu)抗爆能力比較

對于同等的板厚，Y型結(jié)構(gòu)要比I型結(jié)構(gòu)抗爆能力更優(yōu)，但同時Y型結(jié)構(gòu)重量也更大。所以，比較2種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)劣時，還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)重量等因素。

借鑒多目標(biāo)優(yōu)化的思想，將結(jié)構(gòu)的抗爆能力指標(biāo)和結(jié)構(gòu)總重同時作為目標(biāo)，最優(yōu)的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量使2個目標(biāo)值均盡可能小。由于多目標(biāo)的存在，最優(yōu)解可能大于1個，成為最優(yōu)解集。

以結(jié)構(gòu)總重作為縱坐標(biāo)，以抗爆能力指標(biāo)作為橫坐標(biāo)，將本文所有計算結(jié)果以散點圖的形式表示，并對2種結(jié)構(gòu)形式加以區(qū)分（圖7），圖中方框區(qū)域即為最優(yōu)解集。

圖7　Ept指標(biāo)-結(jié)構(gòu)總重散點圖Fig.7　Scatter diagram with Eptbeing x-axis and structural weight being y-axis

表2給出了圖7中的最優(yōu)解集?？梢钥闯?，最優(yōu)解集的大部分元素均為Y型結(jié)構(gòu)，這說明Y型結(jié)構(gòu)與I型結(jié)構(gòu)相比，具有更好的抗爆能力。

表2　最優(yōu)解集Tab.2Optimal solution set

4　結(jié)論

根據(jù)給定的裝藥參數(shù)，采用自編氣泡動力學(xué)程序與MSC.Dytran商業(yè)軟件，對不同尺寸的I型、Y型雙層結(jié)構(gòu)遭受沖擊波—射流聯(lián)合作用的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并對計算結(jié)果進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

1）支撐結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)抗爆過程中有承力、吸能和傳力等作用。根據(jù)這三者作用程度的不同，結(jié)構(gòu)抗爆能力將隨支撐結(jié)構(gòu)板厚的增加而先減小后增大再減小。當(dāng)內(nèi)外殼厚度及其間距一定時，存在最佳支撐結(jié)構(gòu)板厚。

2）內(nèi)殼板厚的增加與內(nèi)外殼間距的增加均會提高結(jié)構(gòu)抗爆能力，但相應(yīng)地會增加結(jié)構(gòu)重量。當(dāng)內(nèi)殼板厚增加到一定程度時，繼續(xù)通過增加內(nèi)殼板厚來提高抗爆能力的效率較低，提高程度不顯著。

3）以結(jié)構(gòu)總重與內(nèi)殼變形程度同時作為目標(biāo)進(jìn)行選優(yōu)，結(jié)果表明，同等結(jié)構(gòu)重量下，Y型雙層結(jié)構(gòu)抗水下接觸爆炸能力總體上優(yōu)于I型雙層結(jié)構(gòu)。

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［責(zé)任編輯：胡文莉］

Numerical Simulation on the Explosion-Resistance Capability of
Double Shell Structures Subjected to Underwater Near-Field Explosion

CHEN Song1，YANG Xionghui2，TANG Wenyong3，GUO Ya3，SU Yiran3
1 Naval Military Representative Office in China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China
2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China
3 State Key Laboratory of Marine Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China

This paper provides direct technical support to the explosion-resistance design by considering both the shock wave and jet load simultaneously and taking into account of the effect of double shell struc?ture types and sizes during the underwater near-field explosion.Based on the bubble pulsation analysis us?ing Eulerian method in the vicinity of a rigid wall and the principle of energy equivalence，the dynamic re?sponse of a double shell structure subjected to underwater near-field explosion is numerically simulated. The jet load is then simplified and applied after the shock wave by using the Msc.Dytran software subrou?tine.Models with different structural types and sizes are also calculated and an optimal solution set which targets both the weight of the structure and the explosion-resistance capability is obtained via the multi-ob?jective optimization approach.The results show that the optimum thickness of the support structure can be determined when the thickness of outer and inner shells and the distance between them are constant.Mean?while，Y-frame double shell structures tend to provide higher explosion-resistance capability when the weight of structure is constant.

underwater near-field explosion；double shell structure；explosion resistance capability；shock wave；jet load

U661.43

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.01.005

2014-07-10

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2015-1-28 12:02

國家部委基金資助項目

陳崧，男，1974年生，碩士，工程師。研究方向：艦船總體研究與設(shè)計。E-mail：vipchensong@163.com

唐文勇（通信作者），男，1970年生，博士，教授。研究方向：船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)力學(xué)。E-mail：wytang@sjtu.edu.cn