典型补给油船抗冲击性能研究

程晓达 曹冬梅 尹绪超 陈海龙

（1.哈尔滨工程大学 船舶工程学院 哈尔滨 150001；2.哈尔滨工业大学 航天学院 哈尔滨 150001）

0 引 言

近年来，随着军事竞争对海上力量的日益倾斜，水中兵器威力不断增加，爆炸冲击波及气泡脉动、水射流都会对舰船生命力产生巨大的威胁［1-2］。各军事强国对舰船遭受武器攻击的生命力问题均开展了深入的探讨［3］，我国在该领域的研究也在积极开展。为保持舰船的持续作战能力，军需补给系统的作用不容忽视。然而当前国内对补给舰艇的抗冲击问题研究甚少，对于遭受水下武器攻击时补给舰的强度问题、局部易损区域、安全性校核等问题均有待探讨。

实船水下爆炸实验费用惊人，目前一些西方发达国家也往往需要联合几个国家共同实施实船爆炸试验，且涉及保密，公开的实船试验数据非常稀少。我国在实船试验方面起步相对较晚，但是近年来也加大了这方面的投入［4］。随着科技的进步，数值计算的优势日渐显著，具有方便、可靠、经济等特点，目前得到了广泛应用［5-7］。本文针对某典型军用补给油船，通过数值计算与理论相结合的方法，对该船的中远场抗爆抗冲击性能进行了分析计算。

ABAQUS由于其优异的非线性分析能力，在结构强度领域被广泛应用。本文使用该软件集成的声固耦合法可以很好地模拟中远场水下爆炸时冲击波对船体结构的作用，及船体结构与水的相互耦合作用。由于接触爆炸是个极其复杂的物理化学过程，至今仍是各国专家研究的前沿热点问题。随着数值仿真技术的不断发展，各数值计算软件百花争鸣，互有优势，因而本文不再详述。

1 有限元模型建立及工况设置

1.1 船体结构及其流场有限元模型

本文所研究的是某典型补给油船结构，在进行结构抗冲击分析前，按照设计图纸采用通用商业软件ANSYS对该船进行建模。主要考察该船抗冲击性能，为保证模型的计算精度，在建模中全船所有基本结构均详细建出；同时，对于便于加工而设计的倒角、圆孔等结构进行的合理简化，以提高计算效率。最终建立的油船几何模型如图1所示。

对建立的模型进行网格划分，并对局部结构复杂以及重点考察区域的网格进行了细化处理后，通过实验室自主开发的接口程序将有限元模型导入到ABAQUS中进行分析。

为了真实反映舰船在海上的航行状态，通过查阅设计图纸，将船体内部设备及装载以MASS质量点形式均布在各层甲板，使舰艇排水量达到设计排水量，并调整重心位置与设计值一致。根据相关资料［8］，流场的范围在船体半宽4倍左右可以在精度和计算效率上取得很好的平衡。在导入有限元模型后，在ABAQUS中建立流场模型，并与船体装配在一起。在船体外表面和流场表面采用TIE约束模拟爆炸后水与结构的耦合作用。船体与流场有限元模型如图2所示。其中，全船节点总数为107746，有限元单元总数为264040。

1.2 工况设置

为综合考虑药量、爆距等因素的影响，本文采用冲击因子C描述非接触爆炸工况［9］，即

式中:W为药包质量（等效TNT质量）；

R为爆心位置到舰船结构的最短距离。

在相同的冲击因子下，舰船结构冲击响应可近似相等。本文拟从三个方面综合校核该船体结构的抗冲击性能，即:药包沿船长方向分布、药包沿水深分布和不同攻角θ对船体结构的影响。

（1）工况1～工况3为药包沿船长方向分布，取冲击因子为0.53，药包位置分别在船艏处、船舯处和船艉处三种情况，重点考核船舶结构响应的变化。

（3）工况4～工况6为不同爆距对船体结构冲击响应的影响，爆点位置均在船舯正下方，分别取冲击因子0.58、0.63、0.70进行对比分析。工况7～工况9为不同攻角下非接触爆炸对船体结构的响应。爆点位置在船舯正下方，冲击因子0.58，攻角分别为30°、60°、90°。 药包布置方式如图 3 所示:

2 计算结果分析

2.1 药包沿船长方向分布

工况1～工况3主要考察爆心在船艏、船舯和船艉三个典型位置时，船体结构的响应沿船长的分布规律，以及在上述工况中船体结构抗冲击性能，评估其薄弱环节。下面给出三种工况下船体结构的应力云图，如图4所示。

由云图可以看出，当爆炸冲击波到达结构表面时，由于药包位置不同，船体结构靠近药包位置的局部区域应力最大，并沿船长方向向其他结构传递，船体结构整体效应明显。为了更直观的研究船体响应沿船长方向分布，将该船沿船长方向平均分成20个区域，分别提取各分段的无量纲谱速度和无量纲谱加速度，通过样条曲线绘制不同药包位置船体沿船长方向无量纲谱速度与谱加速度分布曲线，如图5、图6所示。

由图5可以看出，在爆距为60 m的远场爆炸载荷下，随着药包沿船长位置的不同，船体结构的无量纲谱速度整体分布均匀，在药包所在位置响应略微偏高，并没有陡峭的峰值。说明在武器攻击引起的远场爆炸下，舰船主要体现整体响应，总体效应明显。图6中无量纲加速度曲线变化也较平缓，没有出现剧烈的峰值，也很好地证明了这一点。

2.2 油船结构响应沿垂向分布

工况4～工况6主要考察不同爆距对油船结构的冲击响应的影响，由于药包均布置在船舯正下方，为不失一般性，分别选取船舯部位外底板及主甲板典型部位的垂向加速度时历曲线，如图7所示。

由图7可见，在水下非接触爆炸发生后，船体结构的外底板结构加速度快速增大，在0.01～0.02 s内达到峰值，这是由于外底板是船体最靠近爆心位置的结构，冲击波最先到达，随着爆距的减小，其冲击波作用产生加速度峰值逐渐递增。

对比相同工况的主甲板加速度曲线，冲击波最先到达的外底板结构加速度曲线波形陡峭，包含大量高频毛刺，这一般是由于冲击波的前驱波所致。达到峰值后，外底板结构的加速度迅速减小，并在0.2 s内趋于平缓，这是由于船体外板在遭受冲击波作用时与水产生剧烈的耦合作用，其能量很快损耗，使外板加速度很快趋近于0。而主甲板在空气中自由振荡，其加速度减缓的速度明显低于外底板，在爆炸发生后0.2 s，其加速度仍在0附近上下振荡。

冲击波在船体结构传递中能量不断衰减，通过主甲板加速度曲线可以直观地观察到其主甲板加速度峰值要大幅低于外底板，且具有明显的低频成分。这是船体结构的低通滤波效应引起的，低频成分来自冲击波激起的船体内部结构的固有频率振动。

2.3 油船结构响应随攻角分布

油船在遭受非接触爆炸攻击时，为考察相同爆距相同药量下不同攻角对结构的损伤效应，定义无量纲攻击角度为θ/（π/2），其中θ为爆炸攻击角度，分别取 30°、60°、90°三个典型角度。 工况 7～工况 9对船体结构响应受攻角影响进行探究，其无量纲谱速度V及谱加速度A随无量纲攻击角的变化如图8～图9所示。

由图可以看出，随着攻角的增大，船舯部位的无量纲谱速度V逐渐增大，无量纲谱加速度A也略有增加，但整体趋势平缓，没有较大的变化，可以认为攻角的变化对油船结构冲击响应影响很小。这与中远场爆炸舰船局部效应不明显，整体效应占主要因素有关。

3 结 论

本文采用ANSYS对某油船结构进行有限元建模，通过ABAQUS对油船模型在遭受水下武器攻击时的非接触爆炸载荷进行模拟计算，对不同药包位置不同药量对船体结构的冲击响应的影响进行分析、总结规律，得出以下结论:

（1）武器攻击造成的中远场水下非接触爆炸爆心位置对船体结构冲击响应的分布影响很小，船上各部分的响应趋于均匀化。油船的冲击响应主要表现为总体响应，其局部效应并不明显。

（2）爆距对船体结构的响应有直接影响，随着爆距的减小，舰船结构响应逐渐增大，且外底板最靠近爆点，受到非接触爆炸的威胁最大，需适当加强。

（3）冲击波在船体结构中的传递会损耗大量能量，主甲板结构响应远小于外底板。合理的总体区划和舱室布置可以大大提高舰船设备及人员的安全。

（4）远场爆炸时冲击波的球面效应不明显，其爆炸攻角对结构响应的影响不大。

［1］张阿漫，王诗平，白兆宏，等.不同环境下气泡脉动特性实验研究［J］.力学学报， 2011， 43（1）:71-83.

［2］张阿漫，姚熊亮.近自由面水下爆炸气泡的运动规律研究［J］.物理学报， 2008， 57（1）:339-353.

［3］Said Michaels.Theory and Practice of Total Ship Survivability Analysis and Design［J］.Naval Engineers Journal，1995，107（4）:191-203.

［4］Calvano Charles N，etc.Establishing the Fundamentals of a Surface Ships Survivability Design Discipline［J］.Naval Engineers Journal，1994，106（1）:71-74.

［5］王官祥，赵玫.用 ANSYS进行抗冲击仿真［M］//汪玉.舰艇及设备冲击响应分析技术.北京:海潮出版社，2005:179-181.

［6］王官祥，汪玉.模态分析在冲击动力学分析中的应用［M］//汪玉.舰艇及设备冲击响应分析技术.北京:海潮出版社， 2005:171-174.

［7］吴广明，沈荣瀛，华宏星.大型舰船模型三维有限元振动及冲击计算［M］//汪玉.舰艇及设备冲击响应分析技术.北京:海潮出版社，2005:102-107.

［8］姚熊亮，张阿漫，许维军.声固耦合方法在舰船水下爆炸中的应用［J］. 哈尔滨工程大学学报.2005，26（6）:707-712.

［9］库尔.水下爆炸［M］.罗耀杰等译.北京:国防工业出版社.1960:112-116.