水下爆炸作用下中型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)毀傷特性研究

周學(xué)濱 張永坤

（91439部隊(duì) 大連 116041）

1 引言

沖擊是指一個(gè)系統(tǒng)在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)，受到瞬態(tài)激勵(lì)，其位移、速度或加速度突然發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。在沖擊激振力作用下，系統(tǒng)所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)為瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)，而當(dāng)激振力作用停止后，系統(tǒng)將按其自身固有頻率作自由振動(dòng)。艦船設(shè)備的沖擊環(huán)境主要表現(xiàn)為設(shè)備基礎(chǔ)所經(jīng)受的沖擊加速度、沖擊速度和位移，是設(shè)備抗沖擊研究的基礎(chǔ)。研究大中型艦船設(shè)備的沖擊環(huán)境方法有兩種：實(shí)船抗沖擊試驗(yàn)和沖擊平臺(tái)試驗(yàn)。由于實(shí)船試驗(yàn)的組織實(shí)施難度大，費(fèi)用高，因此多采用浮動(dòng)沖擊平臺(tái)水下爆炸試驗(yàn)方法，通常需要選擇中型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)作為載體［1～2］。借助浮動(dòng)沖擊平臺(tái)進(jìn)行艦船設(shè)備抗沖擊性能考核，國(guó)內(nèi)作了很多研究［3～8］。考核過(guò)程中，浮動(dòng)沖擊平臺(tái)主要作用是為安裝于其內(nèi)部的艦船設(shè)備提供符合要求的沖擊環(huán)境，研究中型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的沖擊環(huán)境對(duì)于建設(shè)一型標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，為設(shè)備考核提供更加真實(shí)的模擬實(shí)船環(huán)境，具有重要的意義。

文中選取一型標(biāo)準(zhǔn)浮動(dòng)沖擊平臺(tái)為計(jì)算對(duì)象，采用Abaqus軟件，對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)工況下的沖擊環(huán)境及毀傷參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，分析了不同爆炸距離、不同爆炸攻角、不同沖擊因子作用下的沖擊環(huán)境參數(shù)的變化規(guī)律，將毀傷量值與理論分析算法進(jìn)行比對(duì)，沖擊環(huán)境結(jié)果與BV043/85標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的算法進(jìn)行比對(duì)，對(duì)爆炸作用下標(biāo)準(zhǔn)浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的毀傷程度及沖擊環(huán)境進(jìn)行了分析研究。

2 仿真計(jì)算過(guò)程

將中型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)置于MIL-S-901D中的標(biāo)準(zhǔn)工況下進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，檢查塑性形變的大小以考核平臺(tái)的強(qiáng)度。加載時(shí)使用Geer and hunter模型計(jì)算壓力載荷［9～10］。

2.1 仿真方法驗(yàn)證

結(jié)合某實(shí)船爆炸數(shù)據(jù)，對(duì)仿真方法進(jìn)行了驗(yàn)證［11］。計(jì)算工況為1000kg TNT爆源距左舷70m，水深50m沉底爆炸，龍骨沖擊因子為0.337。根據(jù)試驗(yàn)時(shí)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際情況選取進(jìn)行比對(duì)的測(cè)點(diǎn)位置，分別選擇了3個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)和3個(gè)加速度測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)具體位置分別為01甲板55#肋位迎爆面中縱桁縱向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)、主甲板25#肋位迎爆面縱桁縱向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)、內(nèi)底45#肋位迎爆面第一扶強(qiáng)材邊中間根部板格應(yīng)變測(cè)點(diǎn)、01甲板27#肋位艦長(zhǎng)室垂向加速度測(cè)點(diǎn)、主甲板76#肋位垂向加速度測(cè)點(diǎn)、內(nèi)底47#肋位垂向加速度測(cè)點(diǎn)。對(duì)比結(jié)果見表1～2。

表1 應(yīng)變峰值對(duì)比

表2 加速度峰值對(duì)比

通過(guò)對(duì)峰值的相對(duì)誤差計(jì)算，得出應(yīng)變峰值平均精度77.48%，加速度峰值平均精度77.52%，平均相對(duì)誤差均在30%以內(nèi)，計(jì)算精度符合工程要求。

2.2 仿真計(jì)算對(duì)象

仿真計(jì)算對(duì)象模型如圖1所示。

2.3 仿真工況設(shè)計(jì)

為能夠較全面地分析平臺(tái)的工況，設(shè)置了80個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算。設(shè)置方法如下：

1）選取4個(gè)平面。這4個(gè)平臺(tái)為x=6.5，x=3.25，x=0，及y=3.25，4個(gè)平面位置在下文中簡(jiǎn)稱1號(hào)位置、2號(hào)位置、3號(hào)位置、4號(hào)位置，如圖2（a）。

圖1 中型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)數(shù)值模型

2）在各平面內(nèi)選取4個(gè)扇形區(qū)域。以美國(guó)MIL-S-901D為基礎(chǔ)，參考4.1，3.1中4個(gè)工況選取4個(gè)沖擊因子，分別為C1＝0.51，C2＝0.63，C3＝0.73，C4＝0.86，對(duì)應(yīng) 爆 距為 R1＝14.39m，R2＝11.61m，R3＝10.01m，R4＝8.51m。以坐標(biāo)原點(diǎn)為圓心，以上述4個(gè)爆距為半徑，作4個(gè)扇形區(qū)域如圖2（b）。

圖2 工況設(shè)置示意圖

3）作5條射線。在各扇形內(nèi)分別取α1＝0°，α2＝30°，α3＝45°，α4＝60°，α5＝90°的5種攻角（圖中只標(biāo)出α2＝30°），作5條射線，如圖2（b）。

4）設(shè)置爆源位置。在各平面內(nèi)的90°扇形內(nèi)各有20個(gè)交點(diǎn)，共4個(gè)平面位置，則共有80個(gè)交點(diǎn)。將爆源分別放在這80個(gè)交點(diǎn)上，就獲得80個(gè)不同的爆炸工況。

2.4 測(cè)點(diǎn)選取

浮動(dòng)沖擊平臺(tái)內(nèi)底是待測(cè)設(shè)備的主要安裝基礎(chǔ)，其沖擊環(huán)境即為設(shè)備（或基座）的沖擊輸入。本文在平臺(tái)內(nèi)底中央選擇36個(gè)點(diǎn)作為測(cè)點(diǎn)，這些點(diǎn)所占的面積接近1m2，并在平臺(tái)上建立平面直角坐標(biāo)系，如圖3，原點(diǎn)位于圖中平臺(tái)外底左下角。

圖3 平臺(tái)內(nèi)底測(cè)點(diǎn)的選取

2.5 仿真計(jì)算結(jié)果

2.5.1 平臺(tái)抗沖擊強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

按2.3所設(shè)的工況，對(duì)中型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型在Abaqus中進(jìn)行仿真計(jì)算。根據(jù)結(jié)構(gòu)毀傷特征，沖擊因子最大，所受到的沖擊也最為強(qiáng)烈，因此若平臺(tái)在該工況下強(qiáng)度滿足要求，可正常工作，即可認(rèn)為為該平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。圖4為工況4下（沖擊因子為0.86）的平臺(tái)受沖擊后的位移云圖，從該圖上可以看出：輕質(zhì)舷墻的頂部為平臺(tái)發(fā)生最大形變的區(qū)域，形變最大的位置為迎爆面的兩個(gè)頂角。各工況下平臺(tái)最大變形情況如表3所示。

圖4 中型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)在工況4時(shí)的橫向位移云圖

表3 平臺(tái)最大變形隨沖擊因子變化關(guān)系

由表3中可知，四種沖擊因子（0.51，0.63，0.73，0.86）狀況下，底部中間的最大變形量值分別為0.026cm，0.04cm，0.056cm，0.075cm。

2.5.2 沖擊環(huán)境計(jì)算結(jié)果

對(duì)沖擊平臺(tái)在上述共計(jì)80個(gè)工況下進(jìn)行仿真計(jì)算后，得到各測(cè)點(diǎn)處的沖擊環(huán)境參數(shù)，給出將每個(gè)工況各測(cè)點(diǎn)的沖擊環(huán)境相同參數(shù)進(jìn)行平均處理。為了消除位置參數(shù)的影響，選擇最危險(xiǎn)的截面對(duì)沖擊響應(yīng)特征進(jìn)行分析，給出1號(hào)位置x=6.5m處的沖擊參數(shù)，如表4所示。

3 計(jì)算結(jié)果比對(duì)分析

3.1 沖擊環(huán)境特征分析

毀傷的量值在2.5.1的計(jì)算結(jié)果中已經(jīng)給出，此處根據(jù)表4沖擊環(huán)境的計(jì)算結(jié)果對(duì)沖擊環(huán)境的特征進(jìn)行分析，重點(diǎn)說(shuō)明不同攻角情況下的變化特征。比較表4的數(shù)據(jù)可知，0°攻角，沖擊因子增加，譜位移增大，譜速度增大，譜加速度增大；30°攻角，沖擊因子增加，譜位移增大，譜速度增大，譜加速度增大；45°攻角，沖擊因子增加，譜位移增大，譜速度增大，譜加速度增大；60°攻角，沖擊因子增加，譜加速度增大；譜位移和譜速度在0.73出現(xiàn)最大值；90°攻角，沖擊因子增加，譜位移減小，譜速度和譜加速度變化不規(guī)律。

表4 x=6.5m位置處各工況的沖擊環(huán)境參數(shù)

可總結(jié)為沖擊因子相同情況下，沖擊加速度隨攻角增加而增大，在90°時(shí)達(dá)到最大值；沖擊因子相同情況下，沖擊速度及譜位移隨攻角變化不規(guī)律，需要綜合沖擊因子量值及攻角情況綜合考慮。

3.2 BV043/85規(guī)范計(jì)算

當(dāng)設(shè)備實(shí)際重量大于5t時(shí)，需考慮其受沖擊時(shí)對(duì)所處環(huán)境產(chǎn)生的反作用，必需對(duì)沖擊譜載荷進(jìn)行折減計(jì)算，折減僅針對(duì)譜加速度和譜速度，譜位移不用折減。對(duì)于100t設(shè)備的部分沖擊環(huán)境參數(shù)［11］，如表5所示。

表5 折減后BV043/85規(guī)范中的部分沖擊環(huán)境參數(shù)

說(shuō)明：I區(qū)為船殼基座和主甲板以下隔艙壁；II區(qū)為下甲板和主甲板隔壁；III區(qū)為上層建筑。

3.3 毀傷等級(jí)理論計(jì)算

采用文獻(xiàn)中的理論計(jì)算方法［12］對(duì)平臺(tái)的毀傷等級(jí)進(jìn)行計(jì)算。水中爆炸造成的毀傷一般分為四級(jí)，見表6。

表6 毀傷的四個(gè)級(jí)別

毀傷因子和毀傷等級(jí)的關(guān)系曲線，如表7所示，表7中的毀傷等級(jí)與表6中毀傷等級(jí)相對(duì)應(yīng)，五級(jí)毀傷可當(dāng)作無(wú)毀傷或彈性變形狀態(tài)。

表7 水面艦艇的毀傷等級(jí)劃分

表8 浮動(dòng)沖擊平臺(tái)毀傷因子

由表8計(jì)算結(jié)果可知，浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的毀傷因子在設(shè)計(jì)工況下的量值為0.029～0.049，對(duì)應(yīng)于水面艦艇毀傷等級(jí)為五級(jí)；對(duì)應(yīng)表6可知，中型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)為無(wú)毀傷或彈性變形狀態(tài)。

4 計(jì)算結(jié)果比對(duì)

4.1 毀傷因子比對(duì)分析

將表3仿真計(jì)算結(jié)果以及表8理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如表9所示。

由表可知，仿真計(jì)算與理論預(yù)報(bào)計(jì)算的仿真因子的誤差最大為3.48%，在工程許可范圍內(nèi)。證明了仿真計(jì)算方法可行。

4.2 沖擊環(huán)境計(jì)算結(jié)果比較

比對(duì)表4中的仿真計(jì)算結(jié)果以及表5中的BV043/85標(biāo)準(zhǔn)預(yù)估結(jié)果，可以得到：

1）取沖擊加速度參數(shù)進(jìn)行分析，對(duì)于重量小于5t的設(shè)備，中型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)垂向譜加速度為320g，沖擊加速度環(huán)境基本滿足使用要求，只是在垂直90°，沖擊因子為0.86工況下，沖擊加速度值偏大，試驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中應(yīng)該采取一定的防護(hù)措施。

2）取沖擊速度參數(shù)進(jìn)行分析，對(duì)于重量小于5t的設(shè)備，中型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)譜垂向速度為7m/s，選取沖擊速度的情況下，各種工況均滿足要求。

由于大多數(shù)情況都是以沖擊速度值作為判據(jù)，在此對(duì)載重量為100t情況下的沖擊速度進(jìn)行分析，由表可中折減后的譜速度為2.11m/s，只有在角度很小的情況下滿足使用要求。仿真計(jì)算結(jié)果中最大的速度為4.44m/s，假定該值為折減后譜速度，根據(jù)折減公式可反推出此種沖擊環(huán)境下平臺(tái)的最大載重約為15.6t，此時(shí)最大載重量下降主要是由于爆源位置變化到平臺(tái)下方所致。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文研究，得到一些有意義的結(jié)論：

1）中型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)在標(biāo)準(zhǔn)工況下的毀傷等級(jí)為五級(jí)，可以看作為無(wú)毀傷或彈性變形狀態(tài)。

2）采用仿真計(jì)算及理論分析方法對(duì)毀傷因子的量值進(jìn)行計(jì)算并比對(duì)，兩種計(jì)算方法最大誤差在工程誤差范圍之內(nèi)，結(jié)果比較吻合。

3）對(duì)平臺(tái)底部沖擊環(huán)境進(jìn)行計(jì)算分析，沖擊加速度隨攻角增加而增大，在90°時(shí)達(dá)到最大值；沖擊因子相同情況下，沖擊速度及譜位移隨攻角變化不規(guī)律。

4）將仿真計(jì)算的沖擊環(huán)境數(shù)值與BV043/85標(biāo)準(zhǔn)量值進(jìn)行比對(duì)，探索了中型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)可承載設(shè)備的量值。平臺(tái)在進(jìn)行正式試驗(yàn)時(shí)其爆源布放位置對(duì)試驗(yàn)結(jié)果將有較大影響，應(yīng)嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)工況實(shí)施。