小水線面雙體船抗水下爆炸設計與驗證?

陳高杰 賈 則

（中國人民解放軍91439部隊 大連 116041）

1 引言

水中兵器爆炸產生的沖擊波壓力是評估其爆炸威力的重要指標，但由于戰斗部裝藥量大，爆炸威力試驗中測量設備的安全布置成為一個重要問題，通常需要使壓力傳感器與數據采集設備保持足夠的安全距離［1］。小水線面雙體船作為一種新型的水面艦船，與單體船相比具有穩定性好、阻力峰不明顯、裝載量大等特點，可承受較大風浪，廣泛應用于軍用和民用船舶，并逐漸成為海軍裝備系統的重要船型之一［2～4］。采用小水線面雙體船作為測量設備承載平臺開展大當量戰斗部水下爆炸威力試驗成為一種新的方式，但其抗沖擊性能設計與驗證對試驗實施至關重要，前期李仲偉等［5］、尹群等［6］、黃樂華［7］對雙體船的全船強度分析與計算開展了一些研究，岳永威等［8］、高峰等［9］利用數值仿真軟件對雙體船抗沖擊性能進行了初步研究，積累了一些經驗，但都缺乏試驗驗證。本文利用聲固耦合法對某小水線面雙體船進行數值仿真計算，考核在預定沖擊因子下的動態沖擊響應，結果表明水中兵器戰斗部在橫向和縱向水下爆炸均未對船體產生明顯塑性變形，滿足抗沖擊設計要求，經試驗驗證后可作為測量設備承載平臺。該方法可為其它雙體船抗沖擊性能設計提供參考。

2 雙體船結構與建模

2.1 結構簡介

雙體船由兩個尺寸相同、對稱或者不對稱布置的船體并列連成一體的船舶，主要包括普通高速雙體船、小水線面雙體船、穿浪雙體船、水翼雙體船和氣墊雙體船等。在結構上，雙體船借助兩個潛入水下的細長潛體產生浮力，通過若干支柱來支撐水面上方的船體，航行時上體不接觸水，下體提供浮力的主要部分，艉部裝有推進器。下體內一般布置燃油艙、淡水艙、壓載水艙、推進器傳動結構和穩定鰭的控制執行機構。上體高居于水面以上的輕型結構，內部是艙室，上面是寬敞的甲板平臺。支柱具有厚度較薄的雙凸狀流線型剖面，將上體和下體連成一個整體，也是上體和下體的聯系通道。

圖1 雙體船橫剖面圖

2.2 建模方法

本文首先通過Pro/Engineer軟件建立雙體船的實體模型，生成igs 格式的曲面，再導入到Hypermesh 軟件中進行船體和周圍水域的網格劃分，生成inp 格式的關鍵字文件，最后導入ABAQUS 軟件中進行材料屬性定義、單元屬性更改、約束條件、邊界條件、載荷、場變量與時間歷程變量設置等，采用Explicit求解器計算出odb格式的結果文件［10］。

如圖2（a）所示，船體結構有限元模型由殼單元（S4R）、梁單元（B31）和質量單元（MASS）組成。殼單元主要用于模擬船體上的甲板、舷側板、艙壁板和底板等，梁單元主要用于模擬結構的中橫梁、加強材、肋骨框架、甲板縱桁、艙壁桁材和船底縱桁等構件，質量單元用于模擬船上安裝設備。如圖2（b）所示，流體域采用聲學單元（AC3D8R），由一個1/2 圓柱生成，半徑為船半寬的6 倍。為了保證計算的精度和穩定性，流體域一個沖擊波長范圍內結構單元數為10 個。流固耦合面上流體的單元尺寸與結構相同，但節點不重合。

2.3 材料模型及參數

船體材料為Q235 鋼，密度7800kg/m3，彈性模量210GPa。采用Cowper-Symonds強化模型描述金屬材料的動態本構關系:

上式中ε˙p為塑性應變率，σ0為準靜態應力，而σ為動態瞬時應力，D和q為常數。在應用以上模型進行處理時，σ0和σ分別取準靜態屈服應力和動態屈服應力。D＝5368.6，q=1.28，σ0=235MPa。

流體水密度1025kg/m3，體積模量2.13×109Pa，水中聲速1498m/s。

圖2 有限元模型圖

2.4 爆炸載荷

關于沖擊波階段和氣泡膨脹與收縮階段的壓力模擬，采用Geers and Hunter 公式［11］。在t＜7Tc時（沖擊波階段），沖擊波壓力可表示為

在t＞7Tc時（氣泡脈動階段），氣泡脈動壓力可表示為

式中，ρf為流體密度，kg/m3；R 為測點到氣泡中心的距離，m；mc為炸藥質量，kg/m3；ac為炸藥初始半徑，kg/m3；V 為炸藥體積，m3；Pc為初始壓力，Pa；Tc為時間常數，s；K、k、A、B為炸藥材料常數；a為炸藥半徑，m。

圖3 工況設置圖

采用龍骨沖擊因子進行工況設置，工況設置圖如圖3所示。龍骨沖擊因子KSF的定義為

本文計算工況龍骨沖擊因子取0.3，此時水下爆炸載荷壓力時程曲線如圖4 所示，將爆炸載荷用該壓力曲線加載到沖擊波最先到達船體上的節點處。

圖4 爆炸載荷壓力時程曲線

2.5 約束與邊界條件

計算模型采用的約束條件為船體濕表面與流體干表面之間設置TIE 約束，將結構殼單元與流體聲學單元用聲固耦合法粘結在一起，用于模擬兩者之間的流固耦合效應。

由于計算采用總波公式，在自由水面處施加0壓力邊界條件，用于模擬水面截斷效應。

在流體域的其它面施加無反射邊界條件，用于模擬無限水域。

3 失效判別準則

雙體船抗沖擊性能考核指標為船體在龍骨沖擊因子為0.3時不產生明顯塑性變形。采用下列兩種失效判別準則［12］。

1）屈服應力判別準則

在已知材料的屈服應力σs的情況下，考慮動態應變率的影響，由Cowper-Symonds 強化模型，可以求出t 時刻動態屈服應力σs，認為當最大應力σmax≥σs時，結構開始出現塑性區。

2）等效塑性應變判別準則

當結構遭受爆炸載荷的沖擊時，沖擊載荷短時間內顯著變化，產生高加載率或高應變率。而隨著應變率的提高，材料的屈服極限和強度極限提高，延伸率降低，屈服和斷裂滯后。通常等效塑性應變取0.28 時結構出現破口。根據《GJB4000-2000 艦船通用規范》的要求:水下爆炸使水面艦船的殼板不產生塑性變形，艦船殼體距爆心的最近距離Ra確定為水面艦船的安全半徑。水下爆炸使水面艦船殼板產生的塑性應變量達到殼板的極限變形量εlim的爆心與艦船殼體的最近距離Rc確定為水面艦船的臨界半徑，εlim通常取0.08。

4 仿真計算結果

圖5 沖擊波加載時刻壓力云圖

圖6 船體von Mises應力云圖

由于加載點為沖擊波到達船體上的最近點，因此計算初始時刻為沖擊波加載到船體產生沖擊響應的起始點，圖5 為沖擊波加載時刻的爆源位于正橫和縱向位置時的壓力云圖。圖6 分別為沖擊波作用后爆源位于正橫和縱向位置時的von Mises 應力云圖，正橫方向爆炸沖擊產生的最大應力響應值大于縱向爆炸，且兩種情況均超過了材料屈服應力，不滿足產生塑性區的判別準則。圖7 分別為沖擊波作用后爆源位于正橫和縱向位置時的等效塑性應變云圖，正橫方向爆炸沖擊產生的最大等效塑性應變響應值大于縱向爆炸，且兩種情況均小于0.28，結構不會出現破口；最大等效塑性應變值為0.0048，小于極限變形量0.08，結構在臨界半徑范圍內，此時結構殼板出現永久變形，不影響水密性，但長久使用會對結構造成安全威脅。

圖7 船體等效塑性應變云圖

圖8 正橫方向測點加速度時程曲線

圖8 為較危險工況正橫方向爆炸時加載點處和測量設備安裝處測點加速度時程曲線，可以看出沖擊波作用后產生的沖擊加速度響應由加載點傳遞到測量設備安裝處的過程中不斷衰減，由608.5g衰減到286.7g，而測量設備緩沖裝置的抗沖擊指標為1000g，滿足測量設備安裝要求。

5 結語

本文通過對某小水線面雙體船進行數值仿真計算，驗證了其抗沖擊性能，可得出以下結論。

1）該雙體船在龍骨沖擊因子為0.3時應力超過了屈服強度，會產生塑性變形，但對船體水密性不會有影響；作為測量設備承載平臺產生的累積損傷具有安全隱患，對結構進行改進設計后可滿足使用要求；

2）炸藥在正橫方向爆炸產生的沖擊響應大于縱向爆炸，應當重點考慮該位置爆炸產生的毀傷效應；

3）緩沖平臺抗沖擊性能可承受設計工況下的沖擊，在船體強度滿足要求的情況下可保證測量設備安全。