单双壳体潜艇冲击响应对比研究*

刘兴永，朱 枫，计 方

(1.渤海船舶职业学院，辽宁葫芦岛125200;2.哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江哈尔滨150001)

0 引言

现代潜艇的下潜深度可达300～400 m，艇体须承受30～40 atm的压力，所以，潜艇都有耐压艇体，壳板厚度一般在20 mm以上。为使潜艇具有优良的水下流体动力性能，减小水下运动阻力，某些潜艇还有非耐压艇体，它不承受深水压力，壳板厚度一般仅为几毫米，易于加工成水滴型或流线型。由于耐压艇体与非耐压艇体的原因，潜艇艇体的结构形式有单壳体、双壳体、单双混合壳体和个半壳体结构，最为常见的形式有单壳体和双壳体2种结构［1，2］。

鉴于潜艇具有不同的壳体形式，且目前国内对潜艇冲击环境预报研究多针对双壳体潜艇进行，单壳体潜艇冲击环境研究国内很少涉及。本文基于某双壳体潜艇采用平摊板厚的方法将非耐压壳体等效至耐压壳体，将其简化成对应的单壳体潜艇结构形式。基于ABAQUS软件对双壳潜艇和对应的单壳潜艇进行数值模拟［3］，设计大量爆炸工况，用冲击谱方法分析数据，得到潜艇结构在水下爆炸载荷下结构动态响应规律，并对单双壳体潜艇冲击环境进行对比研究，明确单双壳体潜艇冲击环境差异。

1 潜艇水下爆炸的数值模拟

1.1 潜艇有限元模型

根据数值模拟的要求，本文利用有限元软件ANSYS建立潜艇的有限元模型。建模时，潜艇非耐压壳体和耐压壳体上的环肋以及舱壁、平台上的桁材采用空间梁单元，非耐压壳体和耐压壳体以及两者之间的托板、舱壁、平台、首尾壳体均采用板单元，如此既能逼近真实结构，又能简化计算量。其中，单壳体潜艇是参照双壳体潜艇，采用平摊板厚的方法将双壳体潜艇结构简化成对应的单壳体潜艇结构形式，只有耐压壳体而没有非耐压壳体;双壳体潜艇及其周围流场进行有限元建模时，将非耐压壳体与耐压壳体之间的水用声学单元建立。图1给出潜艇的有限元模型。

图1 有限元模型Fig 1 Finite element model

1.2 数值计算过程

本文采用ABAQUS中的声固耦合方法计算潜艇结构在水下爆炸冲击波作用下的冲击响应。对流场和结构分别进行离散，在结构流体交界面处进行耦合，由于潜艇全体浸没水中，不考虑自由面与海底反射面的影响［4］，水下爆炸冲击波载荷采用Geers-Hunter模型计算［5］。具体计算过程如图2。

图2 数值计算过程Fig 2 Procedure of numerical calculation

1.3 冲击响应数据处理方法

本文采用冲击谱的方法对加速度数据进行分析。冲击谱是一种带有一定阻尼或无阻尼单自由度振子对冲击激励作用的最大响应随振子固有频率变化的图谱［6］。

设圆频率为ωdi的第i振子的绝对位移为yi，相对位移为xi，在基础运动z(t)的作用下，振子的相对运动方程为

假设冲击条件下，初始速度和位移都为0，则

xi(t)绝对值的最大值即为圆频率为ωdi振子的位移谱值，x(t)绝对值的最大值即为速度谱值。

分别在潜艇的内壳、外壳、内部、左舷、右舷、艏部、艉部布置一定数量的考核点，将各部位节点的响应谱值加权平均得到某一部位响应谱的均值

式中 v为谱速度均值，a为谱加速度均值，n为某部位的考核节点数。

2 单双壳体潜艇冲击响应结果对比

分别对单双壳体潜艇典型部位的加速度响应、冲击谱和冲击响应沿艇长分布规律进行对比分析，得到单双壳体潜艇在水下爆炸冲击波作用下的响应规律差异。

2.1 艇体典型部位加速度响应

选取MK14刺猬式深水炸弹武器:127 kgTNT当量，10m爆距，在单双壳体潜艇艇中正下方爆炸工况。这里，仅选取艉部结构14197节点与底部结构耐压壳体上55984节点作为说明，这2个节点的加速度时历曲线如图3，图4。

由图3，图4可以看出:1)水下武器在潜艇的正下部位爆炸时，潜艇的加速度冲击响应以垂向响应为主;2)对比单双壳体潜艇的响应可以看出:无论是垂向加速度还是横向加速度，双壳体的响应值相对于单壳体有相当程度的减小，但其频率成分却没有明显的改变。

图3 单双壳体潜艇艉部14197节点的加速度对比Fig 3 Contrast of acceleration of node 14197 at stern between the single-hull and the double hull submarine

2.2 艇体典型部位冲击响应谱对比

将典型部位的冲击响应加速度按照1.3节中介绍的方法进行处理，得到冲击响应谱。图5，图6给出艉部和底部的冲击响应谱均值，纵横坐标均为对数坐标。

从图5图6的对比中可以看出:双壳体的横向和垂向速度谱值均较单壳体小;此外对某一部位，双壳体较单壳体垂向谱值的减小量大于横向谱值的减小量。这是因为双壳体潜艇比单壳体多了非耐压壳体、舷间水，且非耐压壳体和耐压壳体间有多个强环肋，使得双壳体潜艇的强度和刚度较单壳体潜艇大，当潜艇正下方爆炸时，整个潜艇可看作受横向载荷的梁的运动，此“艇体梁”的强度和刚度增加使得在载荷作用方向(垂向)的运动较少，而对垂直于载荷作用方向(横向)的运动影响程度较弱，垂向较横向响应谱减小的程度大。

图4 单双壳体潜艇底部55984节点的加速度对比Fig 4 Contrast of acceleration of node 55984 at bottom between the single-hull and the double hull submarine

图5 单双壳体潜艇艉部冲击谱对比Fig 5 Contrast of impact spectrum at stern between the single-hull and the double hull submarine

2.3 艇体冲击响应沿艇长分布规律对比

为了研究冲击响应在单双壳体潜艇响应在艇长方向上的分布情况，对单双壳体潜艇沿艇长分布8个命中点，如图7所示。

将潜艇在长度方向上分成若干份，每段艇体内都布置一定数量的考核点。限于篇幅，图8，图9给出近场工况(80 kg药量，5 m爆距)和中远场工况(800 kg药量，30 m爆距)命中点1时单双壳体潜艇的垂向谱速度(由于正下方爆炸时横向响应远小于垂向响应，在此不再给出)。

图6 单双壳体潜艇底部冲击谱对比Fig 6 Contrast of impact spectrum at bottom between the single-hull and the double hull submarine

图7 命中点纵向位置Fig 7 Longitudinal distribution of target

图8 近场命中点1单双壳体潜艇冲击谱沿艇长分布对比Fig 8 Contrast of impact spectrum along length between the single-hull and double hull submarine under near-field target 1

图9 中远场命中点1单双壳体潜艇冲击谱沿艇长分布对比Fig 9 Contrast of impact spectrum along length between the single-hull and double hull submarine under far-field target 1

船体节点无量纲座标为X=(L/2－x)/L，其中，L为艇长，X为艇体各分段的纵向坐标，横轴0表示艇首，1表示艇尾。由图可以看出:双壳体的冲击谱值较单壳体小。对于近场爆炸，在命中点附近双壳体潜艇的响应远小于单壳体潜艇的响应，随着距离命中点距离的增加，单双壳体的响应趋于相近;中远场爆炸工况，单双壳体潜艇的响应均体现了整体性(命中点附近和远离命中点的响应差异不大)，但是，双壳体的响应在整个艇体上均要低于对应工况的单壳体响应。

3 结论

1)水下武器在潜艇的正下部位爆炸时，潜艇的加速度冲击响应以垂向响应为主;无论是垂向加速度还是横向加速度，双壳体的响应值相对于单壳体有相当程度的减小，但其频率成分却没有明显的改变。

2)双壳体潜艇的冲击谱值要低于单壳体潜艇的冲击谱值;此外，对某一部位双壳体较单壳体垂向谱值的减小量大于横向谱值的减小量。

3)对于某一特定潜艇，中远场爆炸下的艇体响应较近场爆炸的响应体现了整体性，近场爆炸的冲击响应局部性特征明显;而无论是近场还是中远场爆炸，双壳体潜艇的响应较单壳体潜艇的响应更具整体性。

［1］姚熊亮，王玉红，史冬岩，等.圆筒结构水下爆炸数值试验研究［J］.哈尔滨工程大学学报，2002，23(1):5－8.

［2］姚熊亮，许维军.多发武器同时命中时潜艇冲击环境研究［J］.船舶工程，2004，26(5):42－49.

［3］黄国兵，赵 耀，胡刚义.潜艇典型舱段水下爆炸动态响应分析［J］.振动与冲击.2007，26(10):118－125.

［4］刘建湖.舰船非接触水下爆炸动力学理论与应用［D］.无锡:中国船舶科学技术研究所，2002:3.

［5］Geers T L，Hunter K S.An integrated wave-effects model for an underwater explosion bubble［J］.Journal of the Acoustical Society of America，2002，111(4):1584－1601.

［6］Cunniff P F，Ohara G J，A procedure for generating shock design values［J］.Sound and Vibration，1989，134(1):155－164.