水面舰艇舷侧抗冲击防护结构形式初探

1 引 言

众所周知，舰艇不仅要有较强的作战能力，同时要有相应的生存能力，特别是在遭到敌方攻击时能够继续完成既定使命任务的能力。舰艇设置防护结构的目的就是为了有效地抵御各种战术武器的攻击，保证舰艇在受到各种武器攻击时所产生的破损或毁坏程度能控制在允许的状态和范围内，从而提高舰艇的生存和作战能力。

为了提高水面舰艇的作战生命力，各国海军都在致力于这方面的研究，如改变舷侧结构的尺寸、在钢板上敷设复合材料等。但是针对大型水面舰艇，除此之外，还在舷侧设置了多层隔舱来实现防护目的。在作战过程中，舰体的舷侧结构是相对薄弱的环节，如遭受水下武器近距离攻击时，会导致舷侧结构局部塑性变形或者是根本性的破损；如是远距离攻击，也要遭受到水下爆炸物冲击波的作用，舰体会产生剧烈振动，使舰用设备不能处于准确的工作状态中，严重的情况下会使重要设备完全失效。

水下舷侧防护结构向来是水面舰艇防护结构的重点，二次大战期间海军强国曾对其做过系列研究[1]，由于保密的原因，该方面文献极少。我国在水面舰艇舷侧结构防护形式方面的研究较少，仅开展了个别模型的试验研究[2]。因此，本文针对以上情况，对舰艇提出双壳结构，不但在近场接触爆炸时能提高其抗爆抗损伤能力；在远场非接触爆炸时，对提高舰艇的抗冲击能力也是一个很值得探讨的问题。

2 水下爆炸冲击环境仿真

2.1 计算模型

本文在传统单层舷侧结构的基础上，借鉴中国船级社双层舷侧散装货船船体结构指南[3]，虚拟设计出了双层舰艇舷侧结构。同时，根据Y型舷侧结构在FPSO中的应用[4]，也设计出Y型舰艇舷侧结构。现在利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立出了以下5种有限元计算模型，在同一种工况条件下，分别对这几种模型施以水下爆炸冲击载荷，来比较各种结构抗冲击性能的优劣。以下是对5种计算模型的阐述：

1) 传统的单壳舷侧结构，见图1；

图1 单壳结构舱段的几何模型

2) 双层舷侧结构，即在单壳结构的基础上，在舷边又加一层内壳，见图2；

图2 双壳结构舱段的几何模型

3) 在有双层舷侧结构舱段的舷边舱全都灌入水，见图2；

4) 双层舷侧结构舷边舱内有自由液面，即在舷边舱内注入一半的水，见图2；

5) 在舷边舱间断地设置了Y型舷侧结构，见图3。

图3 Y型结构舱段的几何模型

2.2 流场与炸药工况的设置

本文5种模型的爆炸冲击环境设为一定当量的TNT，炸药距船中基线30 m，爆炸方位为45°，如图4所示。

图4 爆心位置示意图

舰船舷外流场对舰船的冲击响应具有特殊性和重要性。在无限域流场中进行舰船水下爆炸模拟分析时，要获得较准确的舰船低频响应，必须保证舷外流场足够大。但是，在工程计算中，不可能将流场设置得足够大，否则计算无法进行。综合考虑计算结果精确性和计算的时间因素，本文取流场半径是结构半径的4倍[5，6]，如图5所示。

图5 舱段与流场的有限元模型示意图

2.3 有限元计算流程

本文利用ANSYS/LS-DYNA软件建立有限元舱段模型，整个模型都由板和梁构成，均采用Shell63壳单元和Beam161梁单元。模型建好后直接导入ABAQUS，并根据预设好的尺寸建立流场，由于流场较模型尺寸稍大，把流场划分成三角形网格，并且在外边缘网格较大，而靠近模型的内边缘网格较小，和模型网格接近。然后把模型和流场装配在一起，定义材料属性、流固耦合、计算类型，针对水下爆炸产生高应变率现象的数值仿真，采用材料模式为Plastic-Kinematic模型，应变率的影响采用Cowper and Symonds模型描述，最后根据设置好的炸药工况对舱段模型进行非线性的水下爆炸仿真计算。

3 5种计算模型的计算与分析

3.1 舷侧部位抗冲击性能比较

利用大型有限元软件ABAQUS，通过数值仿真计算，得到了模型的水下爆炸冲击环境。水下非接触爆炸舰体的应力响应云图如图6所示。为了比较明显地区分在这几种结构状态下冲击环境的优劣，特在工况迎爆面的舷侧部位采了若干点和若干单元，作为模型的典型考核部位。这些考核点和考核单元分布具有一定的规律，是在沿型深方向间隔相等距离的5条水平线上所取得，每条水平线上取若干个考核点和考核单元。

图6 舱段模型的应力响应云图

为了进一步分析比较这5种结构状态在同一个工况作用下舷侧冲击环境中的变化规律，分别在5条水平线高取得这些考核点和单元的加速度峰值、速度峰值及应力峰值的平均值。本文对这几种结构的计算结果进行了统计。在分析过程中，因变量取为无量纲加速度、无量纲速度、无量纲单元合应力、自变量取为无量纲高度。其中无量纲加速度Ao、无量纲速度Vo、无量纲单元合应力σo、无量纲高度Ho的表达式为：

(1)

图8 无量纲加速度比较

图9 无量纲速度比较

图10 无量纲单元合应力比较

式中：A、V、σ表示考核点和考核单元的加速度峰值、速度峰值、单元合应力峰值；Ae、Ve、σe表示在单壳结构时爆炸载荷源点距结构表面最近的点的加速度峰值、速度峰值和单元合应力峰值；H表示考核部位的垂向高；D表示型深。图8～图10直观地给出了这5种结构状态在迎爆面舷侧无量纲加速度、速度、单元合应力随着考核部位高度不同的变化规律。从图中可以看出，无论是加速度、速度还是单元合应力，特别是在水线以下的舰体位置，双壳舷侧结构的模型抗冲击性能明显要好于单壳舷侧结构，尤其是双壳时舷边舱内设置了Y型结构板后，各项抗冲击指数均要小于前4种结构模型。说明在舷边舱的两层壳之间有一定结构形式的板连接在一起时，在远场非接触爆炸时，抗冲击能力有所提高。总的来说，双壳结构的抗冲击性能很明显地体现出了优势。

3.2 内部结构抗冲击性能比较

由于一些主要的舱室和重要的设备都在舰艇的内部，所以，内部结构也是考核舰体抗冲击性能的一个重要部位。下面列举了1甲板、2甲板、3甲板和内底板4处位置。在它们所处的位置采取了若干点，分别得到了这些考核点和考核单元的加速度、速度、单元合应力的平均值来反应此位置的抗冲击性能。以下是这些值在5种模型状态下的比较情况。把采得的数据绘成柱形直方图，从而能更加明确地显示出在各种结构状态下内部结构的冲击环境变化规律，具体情况如图11～图13所示。

图11 加速度直方图

图12 速度直方图

图13 单元应力直方图

从上图可以看出，当水下炸药距离舰体较远处爆炸时，由于所处位置的不同，舰体的内部结构比起舷侧部位，在设置双壳后其加速度、速度、单元应力比起单壳没有太大的优越性。但是在双壳的舷边舱内设置了Y型结构板后，其内部结构的加速度、速度及单元应力稍有所下降，但是效果比起舷侧部位没有那么明显。这说明了舷边舱的双层壳之间设置有一定结构形式的板连接起来对整个舱段的抗冲击效果有一定的改善。

4 结 论

本文利用ANSYS/LS-DYNA软件建立了传统单壳结构、双壳结构、双壳结构的舷边舱全都灌入水、舷边舱有自由液面、舷边舱间断地设置了Y型结构板5种模型，并采用ABAQUS计算得到了5种模型舱段的冲击环境，分析比较了在水下远场非接触爆炸时它们的加速度、速度和单元合应力的大小，通过计算可以得出以下结论：在远场水下非接触爆炸时，对单壳和双壳两种形式的舱段内部结构造成的冲击响应几乎没有太大的差别，如果在双壳的舷边舱内设置了Y型结构板，舱段的冲击响应会有所减弱。但是对于舷侧结构，双壳结构的冲击响应明显小于单壳结构，尤其是有Y型结构板的双壳模型，各项抗冲击指数均小于前4种结构模型，因此说明双壳的舰体结构抗冲击性能有很大的提高。

通过以上研究表明，双壳结构在远场非接触爆炸较之单壳时其舷侧抗冲击性能有很大的改善，尤其是在双壳的舷边舱内设置了Y型结构板时，抗冲击性能更好。

[1] 吉田隆. 二次世界大战初期日本海军舰船在炸弹攻击下的损伤实例分析[M].船の科学，1990.

[2] 朱锡,张振华,刘润泉，等.水面舰艇舷侧防雷舱结构模型抗爆试验研究[J].爆炸与冲击，2004，24(2)：133-139.

[3] 中国船级社.双舷侧散装货船船体结构指南[M].上海规范研究所，2003,9.

[4] 范模.浮式生产储油装置浅水效应与Y型舷侧结构的研究与应用[J].中国海上油气,2004，16(5)：289-293.

[5] 姚熊亮，曹宇，郭君.水下爆炸时加肋双层圆柱壳冲击响应的统计分析[J].中国舰船研究，2006，1(1)：33-40.

[6] 姚熊亮,张阿漫,等.基于ABAQUS软件的舰船水下爆炸研究[J].哈尔滨工程大学学报，2006,27(1):37-41.