空中爆炸載荷作用下艦船水密門抗沖擊分析

劉文思，朱 倩，徐 華

(1. 中國人民解放軍91439 部隊，遼寧 大連 116041；2. 大連醫(yī)科大學計算機中心，遼寧 大連 116041；3. 江陰市船舶設(shè)備制造有限公司，江蘇 無錫 214400)

0 引 言

艦載設(shè)備按其對艦船作戰(zhàn)和安全的重要性不同，抗沖擊等級分為A 級、B 級和C 級[1–2]。其中B 級設(shè)備是指對艦船連續(xù)作戰(zhàn)和安全不是必需的設(shè)備，這種設(shè)備應(yīng)能承受沖擊而不引起設(shè)備或設(shè)備外部結(jié)構(gòu)脫開或以其他方式對人員或要害系統(tǒng)產(chǎn)生危害。艦船水密門屬于B 級設(shè)備，因此需要對艦船水密門進行抗沖擊計算考核。

實時模擬法采用時間歷程曲線作為設(shè)備的輸入載荷，對設(shè)備在時域上進行瞬態(tài)分析，可以考慮設(shè)備的非線性結(jié)構(gòu)以及設(shè)備的非線性破壞[3]。選取典型空中爆炸載荷工況，應(yīng)用實時模擬法加載爆炸載荷。通過對2 種結(jié)構(gòu)水密門設(shè)備分別進行抗沖擊實例計算，研究不同結(jié)構(gòu)形式對水密門沖擊響應(yīng)的影響。對比研究結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力、應(yīng)變特征參數(shù)，分析得出2 種水密門設(shè)計結(jié)構(gòu)抗沖擊特點，獲取設(shè)備最大響應(yīng)位移，為艦載設(shè)備抗沖擊分析、優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)路徑。

1 水密門設(shè)備三維模型建立

對水密門圖紙進行結(jié)構(gòu)強度分析，不難發(fā)現(xiàn)主要承載結(jié)構(gòu)為沖擊直接作用的門板，易損結(jié)構(gòu)為承擔門板與艙壁聯(lián)接的夾頭構(gòu)件，其他桿件不直接遭受載荷作用，且結(jié)構(gòu)強度大于夾頭構(gòu)件，由于過于細小的連接零部件會影響計算效率，故只考慮門板及夾頭聯(lián)接構(gòu)件，根據(jù)門板后是否設(shè)置板架加強結(jié)構(gòu)分為2 種水密門設(shè)計結(jié)構(gòu)，分別對設(shè)置板架加強結(jié)構(gòu)和無板架加強結(jié)構(gòu)的水密門建立簡化三維模型，如圖1 所示。

圖 1 兩種結(jié)構(gòu)水密門簡化三維模型Fig. 1 Two kinds of watertight door simplified three-dimensional model

2 水密門設(shè)備有限元建模

2.1 門板

采用殼單元建立門板有限元模型，尺寸為2.197 m×1.676 m，四周圓角過渡R=0.2 m

2.2 夾頭構(gòu)件

夾頭構(gòu)件起到連接緊固水密門門板與剛性艙壁的作用，在水密門設(shè)備中屬連接構(gòu)件，對結(jié)構(gòu)強度的初步分析判斷其為易損結(jié)構(gòu)，在水密門設(shè)備抗沖擊分析中應(yīng)予以研究。

2.3 板架加強結(jié)構(gòu)

板架加強結(jié)構(gòu)附著于門板背面，采用T 型殼單元建模，厚度為8×10–3m，中心部分高度0.1 m，四周邊緣高度0.05 m，之間為線性過渡處理，板架加強結(jié)構(gòu)與門板共同組成水密門主體，起到連接緊固水密門門板的作用，在水密門結(jié)構(gòu)中屬加強構(gòu)件。

2.4 剛性艙壁

艙壁結(jié)構(gòu)是水密門設(shè)備的安裝及支撐主體，所以可將水密門連接固定的艙壁簡化為剛體墻處理，認為艙壁結(jié)構(gòu)在設(shè)計沖擊載荷作用下保持剛性固定不發(fā)生變形。

2.5 材料

水密門材料選取剛塑性材料模型，密度7 800 kg/m3，彈性模量2.1×1011Pa，泊松比0.3，板厚8×10–3m。同時考慮應(yīng)變率強化效應(yīng)，采用Cowper-Symonds 強化模型：

式中 分別為動靜態(tài)屈服應(yīng)力。

2.6 邊界條件

由于艙壁結(jié)構(gòu)簡化為剛性艙壁，因此在剛性艙壁處添加固支邊界條件；水密門門板與夾頭構(gòu)件通過螺栓連接，由于簡化去掉其他桿件結(jié)構(gòu)，且沖擊載荷作用為瞬態(tài)載荷，計算中將螺栓連接簡化為點焊連接處理；水密門門板、夾頭構(gòu)件與剛性艙壁之間設(shè)置接觸約束條件，如圖2 所示。

圖 2 兩種結(jié)構(gòu)水密門設(shè)備有限元整體模型Fig. 2 Finite element model of two kinds of structural watertight door

3 抗沖擊計算

對水密門設(shè)備有限元整體模型進行前處理，利用ls-dyna 顯式動力學分析程序進行仿真計算[4–6]。

3.1 工況設(shè)置及載荷分析

水密門供岸艦轉(zhuǎn)運使用，一般設(shè)置于甲板以上通道，因此典型沖擊工況為空中來襲爆炸載荷，主要考核其在空爆載荷下的沖擊響應(yīng)。選取1 kgTNT 距離門板中央法線方向1 m 處空中爆炸工況進行仿真計算。

沖擊波到達門板中央處壓力時程曲線如圖3 所示。

圖 3 門板中央處沖擊波壓力時程曲線Fig. 3 Shock wave pressure time history curve at the center of the door panel

3.2 計算結(jié)果

3.2.1 兩種結(jié)構(gòu)水密門整體及典型位置應(yīng)力

水密門門板von-mises 應(yīng)力云圖及中心單元應(yīng)力時程曲線如圖4 所示。無板架加強結(jié)構(gòu)的水密門門板中心點最大應(yīng)力發(fā)生在t=8.51×10–3s 時刻，最大應(yīng)力380 MPa；設(shè)置板架加強結(jié)構(gòu)的水密門門板中心點最大應(yīng)力發(fā)生在t=5.02×10–3s 時刻，最大應(yīng)力411 MPa，后者比前者大8%，通過對2 種結(jié)構(gòu)水密門門板應(yīng)力云圖變化進行分析，可發(fā)現(xiàn)設(shè)置板架結(jié)構(gòu)的水密門在門板與板架交界處產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，正是應(yīng)力集中造成了交界處局部應(yīng)力的增大。

無板架加強結(jié)構(gòu)的水密門門板最大應(yīng)力發(fā)生在t=8×10–3s 時刻，最大應(yīng)力569 MPa，最大應(yīng)變0.037 8；設(shè)置板架加強結(jié)構(gòu)的水密門門板最大應(yīng)力發(fā)生在t=4.4×10–3s 時刻，最大應(yīng)力520 MPa，最大應(yīng)變0.031 7。無板架加強結(jié)構(gòu)的水密門夾頭最大應(yīng)力發(fā)生在t=2.84×10–2s 時刻，最大應(yīng)力508 MPa，最大應(yīng)變0.067 9；設(shè)置板架加強結(jié)構(gòu)的水密門夾頭最大應(yīng)力發(fā)生在t=4.0×10–3s 時刻，最大應(yīng)力485 MPa，最大應(yīng)變0.059 6。對比圖5 可見板架加強結(jié)構(gòu)雖然會導致門板與板架交界處局部應(yīng)力集中現(xiàn)象發(fā)生，但卻可以使水密門整體應(yīng)力值有效地平均化，達到減小水密門整體最大應(yīng)力值和最大應(yīng)變值的作用。

將最大峰值應(yīng)力大于400 MPa 的單元高亮顯示（見圖6），可以觀察到無板架加強結(jié)構(gòu)的水密門均為夾頭構(gòu)件及門板邊框上的單元，且位于長邊處的夾頭構(gòu)件單元最大應(yīng)力大于短邊處的夾頭構(gòu)件單元最大應(yīng)力，長邊處的夾頭構(gòu)件中，中間的夾頭構(gòu)件單元應(yīng)力最大。設(shè)置板架加強結(jié)構(gòu)的水密門則主要發(fā)生在板架結(jié)構(gòu)及部分夾頭構(gòu)件上的單元，說明板架加強結(jié)構(gòu)有效承擔了爆炸沖擊載荷。

圖 5 不同時刻2 種結(jié)構(gòu)水密門整體von-mises 應(yīng)力最大值Fig. 5 Maximum stress of two structural watertight doors at different times

圖 6 兩種結(jié)構(gòu)水密門最大峰值應(yīng)力大于400 MPa 的單元Fig. 6 Two structural watertight doors with maximum peak stress greater than 400 MPa

3.2.2 兩種結(jié)構(gòu)水密門塑性變形云圖

門板結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變大于0.03 的部位主要發(fā)生在夾頭構(gòu)件與門板聯(lián)接作用的螺孔處、與艙壁結(jié)構(gòu)接觸的尖端處，其他大部分結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變很小。

無板架加強結(jié)構(gòu)的水密門門板最大應(yīng)變0.037 8；設(shè)置板架加強結(jié)構(gòu)的水密門門板最大應(yīng)變0.031 7。無板架加強結(jié)構(gòu)的水密門夾頭最大應(yīng)變0.067 9；設(shè)置板架加強結(jié)構(gòu)的水密門門板最大應(yīng)變0.059 6?？梢姲寮芗訌娊Y(jié)構(gòu)可以有效地減小水密門整體最大應(yīng)變值的作用，2 種結(jié)構(gòu)形式的水密門最大塑性應(yīng)變均不超過0.28，可認為均未發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞[7–8]。

3.2.3 水密門典型位置速度及整體最大位移

選取門板中心及長短邊框共3 個節(jié)點考察節(jié)點位移情況，繪制位移曲線如圖7 所示，通過分析可知門板先受沖擊波壓力作用后撞擊艙壁前表面后壓縮（即正向位移），沖擊波壓力過后門板彈離艙壁（即負向位移）。

圖 7 門板中心及長短邊框中心3 個節(jié)點位移曲線Fig. 7 Three node displacement curves at the center of the door panel and the center of the long and short border

無板架加強結(jié)構(gòu)的水密門門板最大位移0.059 7 m，設(shè)置板架加強結(jié)構(gòu)的水密門門板最大位移0.020 4 m。無板架加強結(jié)構(gòu)的水密門夾頭最大位移0.057 3 m，設(shè)置板架加強結(jié)構(gòu)的水密門門板最大位移0.029 6 m?？梢姲寮芗訌娊Y(jié)構(gòu)有效地減小水密門整體最大位移，使水密門承受空爆載荷沖擊而不引起與艙壁結(jié)構(gòu)的脫開。

4 結(jié) 語

1）水密門結(jié)構(gòu)在空爆沖擊過程中的沖擊響應(yīng)為：門板作為迎爆面首先受沖擊波壓力作用后撞擊艙壁前表面后壓縮，沖擊波壓力過后門板彈離艙壁，整個沖擊過程未發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞；夾頭構(gòu)件受到門板傳遞的應(yīng)力波作用，隨后在門板彈離艙壁過程中撞擊艙壁背爆面表面之后應(yīng)力進一步增大導致不同程度塑性變形。

2）在1 kg TNT 距離門板中央法線方向1 m 處空中爆炸作用情況下，強沖擊波最先到達門板中心，短時間內(nèi)（8×10–4s）應(yīng)力波快速擴展至整個水密門結(jié)構(gòu)。2 種結(jié)構(gòu)水密門門板應(yīng)力云圖顯示設(shè)置板架結(jié)構(gòu)會在門板與板架交界處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，雖然這會使交界處局部應(yīng)力增大，但設(shè)置板架結(jié)構(gòu)可以使水密門整體應(yīng)力值有效地平均化，達到減小水密門整體最大應(yīng)力值和最大應(yīng)變值的作用。

3）通過對應(yīng)力云圖分析可得出不同結(jié)構(gòu)水密門最大應(yīng)力位置規(guī)律。無板架加強結(jié)構(gòu)的水密門均為夾頭構(gòu)件及門板邊框上的單元，且位于長邊處的夾頭構(gòu)件單元最大應(yīng)力大于短邊處的夾頭構(gòu)件單元最大應(yīng)力，長邊處的夾頭構(gòu)件中，中間的夾頭構(gòu)件單元應(yīng)力最大。設(shè)置板架加強結(jié)構(gòu)的水密門則主要發(fā)生在板架結(jié)構(gòu)及部分夾頭構(gòu)件上的單元，說明板架加強結(jié)構(gòu)有效承擔了爆炸沖擊載荷。

4）門板結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變大于0.03 的部位主要發(fā)生在夾頭構(gòu)件與門板聯(lián)接作用的螺孔處、與艙壁結(jié)構(gòu)接觸的尖端處，其他大部分結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變很小，因此設(shè)備安裝連接結(jié)構(gòu)是抗沖擊設(shè)計要關(guān)鍵考慮的問題。板架加強結(jié)構(gòu)可以有效地減小水密門整體最大應(yīng)變值的作用，2 種結(jié)構(gòu)形式的水密門最大塑性應(yīng)變均不超過0.28，可認為均未發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。

5）無板架加強結(jié)構(gòu)的水密門門板最大位移0.059 7 m，設(shè)置板架加強結(jié)構(gòu)的水密門門板最大位移0.020 4 m。無板架加強結(jié)構(gòu)的水密門夾頭最大位移0.057 3 m，設(shè)置板架加強結(jié)構(gòu)的水密門門板最大位移0.029 6 m?？梢娫O(shè)置板架加強結(jié)構(gòu)可以有效地減小水密門整體最大位移，使水密門承受空爆載荷沖擊而不引起與艙壁結(jié)構(gòu)的脫開。