小水线面双体船冲击试验响应测量方案

古 滨，岳永威，李梦阳

(1．西华大学建筑与土木工程学院，四川 成都610039;

2．哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨150001)

小水线面双体船冲击试验响应测量方案

古 滨1，岳永威2，李梦阳2

(1．西华大学建筑与土木工程学院，四川 成都610039;

2．哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨150001)

基于以数值仿真结果预报指导试验方案的思路，对典型小水线面双体船结构进行实体建模，运用声固耦合算法模拟了其在水下爆炸试验工况下的冲击响应，总结得出影响试验冲击响应数据的各关键爆炸参数，包括爆炸攻角、爆炸药量、爆炸方位及爆炸水深变化时双体船冲击响应分布规律，为相关双体船型抗冲击试验测点布置及响应趋势提供预报和参考。

抗冲击试验;双体船;冲击响应;响应规律;测点布置

0 引言

水面舰船抗爆抗冲击生命力技术主要研究手段主要包括理论解析、数值仿真以及实船或模型试验3种方法［1～3］。理论解析法可针对一些简单结构 (梁、薄板)进行分析，对于大型复杂结构并不适用;数值仿真由于无法完全客观真实的模拟舰船冲击响应的实际物理环境，计算结果可对舰船设计起到预报预估作用，并不能完全取代舰船真实抗冲击响应;实船及模型试验所测得的结果真实可靠，但经费昂贵，试验难度大。鉴于此，我国海军目前主要采用数值仿真与试验相结合的方法，用数值指导试验方案设计，用有限的试验数据修正数值方法，这也是发展中国家海军较为普遍的研究技术路线。

舰船遭受攻击后的冲击响应是研究其抗爆性能的关键，如何在有限试验中合理布置测点并采集到有意义的冲击响应数据，是船体抗冲击试验方案中的重要环节之一［4～5］。对此问题，目前国内学者鲜有研究。小水线面双体船作为一种新型的高性能水面舰船，由于其甲板面积宽、舱容大、具有良好的快速性、操纵性等优点，已经逐渐成为海军装备系统的重要船型之一，对其抗爆性能的研究也提上日程。因此，本文将对典型双体船结构进行有限元建模，使用声固耦合算法模拟水中冲击波载荷与结构的相互作用，计算小水线面双体船在不同水下爆炸工况下的冲击响应，分析各爆炸参数对其冲击响应规律的影响，为相关船型的抗冲击试验数据测量方案设计提供参考依据。

1 计算模型

基于工程图纸利用通用程序Ansys对典型双体船进行实体建模。有限元模型主要用到的是壳单元和梁单元，壳单元主要用于模拟船体上的甲板、舷侧板、舱壁板和底板等，梁单元主要用于模拟结构的中横梁、加强材、肋骨框架、甲板纵桁、舱壁桁材和船底纵桁等构件。此外，在对舰船进行水下爆炸数值分析时，舷外流场将直接对舰船产生重力、阻尼和惯性等方面的影响，因此合理建立舷外流场模型也十分重要。根据相关文献的结论［6］，本研究取流场半径是结构半径的4倍，图1为双体船及其舷外流场有限元模型。

图1 双体船及其流场有限元模型Fig.1 Catamaran and flow field finite element model

双体船在水下爆炸载荷后将于流场一起产生振荡运动，因此必须对与流场接触的双体船结构进行边界条件的设定，从而确保数值实验结果的精确性。本文通过ABAQUS中的INTERACTION选项菜单中的*TIE关键字，分别定义结构与流场接触的部位为主面，相应流场的面为从面，对应于ABAQUS软件中的绑定约束边界条件，即将主从面束缚在一起。此时，在从属面上的每个节点被约束为与在主控面上距它最接近的点具有相同的运动，所有平移和转动自由度本约束，可以客观地描述结构与冲击波作用的物理环境。

2 试验工况模拟

药包在水中爆炸后首先产生冲击波，接着是气泡脉动压力，关于冲击波阶段和气泡膨胀与收缩阶段的压力模拟，Geers and Hunter已经得出了很好的估算公式，本文就基于Geers and Hunter的载荷模型［7］，计算并确定ABAQUS中的载荷模拟曲线。为了更加全面考核双体船在水下爆炸载荷作用下的动响应，本节利用声固耦合算法［8］，设定了大量不同工况对双体船承受爆炸载荷的结构响应进行数值计算，系统全面地分析双体船典型部位的动响应，总结出结构的冲击响应规律，为冲击试验的响应测点布置方案提供依据。图2为工况设置示意图，具体设置参数如表1所示。

图2 双体船设计工况示意图Fig.2 Catamaran designed condition diagram

表1 双体船抗冲击试验工况说明Tab.1 Ctamaran anti-shock experiment condition explain

3 计算结果分析

3.1 爆炸药量对双体船冲击响应测点布置的影响

本节基于工况M1～M4的计算结果，以主甲板为参考对象，总结冲击响应随药包质量变化的规律曲线，这里的4种工况的药包位置均为船体正下方，且爆距均为50 m，药量分别为175，200，250和390 kg TNT当量。主甲板考核测点在4种工况下的Mises应力响应时历曲线，如图3所示。

图3 各工况下主甲板应力响应时历曲线Fig.3 Main deck stress response time history curve of each condition

由图3可看出，结构的应力响应随着药包质量的增大而愈发剧烈，对同一节点的考察其应力时历曲线的形状大致相同，因此可用各曲线的应力响应峰值表示其冲击响应。图4给出了各工况下测点的应力峰值随药量的变化曲线。由图中可以看出，随着药量的增加，船体结构的冲击响应随爆炸药量似呈线性规律递增。

图4 双体船冲击响应随爆炸药量变化曲线Fig.4 Catamaran shock response changed curve with explosion dosage

3.2 爆炸水深对双体船冲击响应测点布置的影响

为了更形象地说明水下药包爆炸深度对船体冲击响应的影响，本节利用M5～M8工况的计算结果，以双体船潜体的底部外板一测点为参考对象，给出其4种工况下的Mises应力相应时历曲线，如图5所示。

图5 各工况潜体应力响应时历曲线Fig.5 Subbody stress response time history curve of each condition

由图5可以看出，随着药包深度的增加，船体结构的冲击响应减弱，通过这点可以说明冲击波载荷对船体的损伤程度随着爆距的减小而增大。由于本文设置的工况均属于中远场爆炸，爆炸深度对船体的影响通过典型部位节点的时历曲线只能给出定性的结论。为了进一步说明爆炸水深对冲击响应的影响，本节给出潜体底部测点的谱速度随爆炸水深变化曲线如图6所示。从图中可看出，随着爆炸深度的增加，潜体底部结构的冲击响应随爆炸水深似呈抛物线规律衰减。

图6 双体船冲击响应随药包水深变化曲线Fig.6 Catamaran shock response changed curve with explosion water depth

3.3 爆炸攻角对双体船冲击响应测点布置的影响

当炸药在船下不同攻角处发生爆炸时，船体的响应会发生很大差异。药量为250 kg的炸药在中横剖面下45°攻角处爆炸时，船体的动态响应过程如图7所示，图为Von.Mises应力分布云图。

图7 爆炸攻角45°时船体动态响应过程Fig.7 Hull dynamic response process under explosion attack angel 45°

图7(a)中，t=0.03 s时，冲击波到达船体开始出现局部响应;图7(b)中，t=0.09 s时，船体呈现出整体响应的特征;图7(c)中，t=0.21 s时，船体近似处于平衡状态，应力响应值较小，t=0.33 s时，船体振动响应变大，Mises应力的最大值出现在船舯右下潜体与支柱交界处，船体左片体的对应位置的应力与之相比较小，这与药包位于船体正下方时不同，攻角的存在导致的船体响应显示出非对称性。

本节基于M9～M12工况的计算结果，在双体船潜体底部位置分别选取20个单元并记录其Mises应力值，然后用其平均值来表现潜体底部结构的平均应力，总结双体船冲击响应随爆角的变化规律，如图8所示。从图中可看出，船体结构的冲击响应随着爆角的增大而增大，在90°爆角时达到最大。因此在进行舰船极端工况冲击响应数据采集时，可将试验方案取为90°爆炸攻角，即药包位于船体正下方。

图8 双体船冲击响应随爆炸攻角变化曲线Fig.8 Catamaran shock response changed curve withexplosion attack angel

3.4 爆炸方位对双体船冲击响应测点布置的影响

本节基于工况M13～M19的计算结果，总结了药包位置沿船长变化时双体船冲击响应的规律，具体做法是选取计算结果中的典型位置的20个单元，考察其应力值，并且将其平均应力值作为该典型位置的应力，绘制曲线。定义无量纲参数d为爆心到船中的距离与船长之比。图9给出了平均应力随d值的变化曲线。

式中:r为爆心到船中的距离，m;L为船长，m。

图9 双体船冲击响应随爆炸方位变化曲线Fig.9 Catamaran shock response changed curve with explosion place

从图9曲线可以看出:当d在0～0.2范围内变化时，结构应力随d的变化而递减的趋势比较明显;而当d在0.2之后，应力变化不太明显。因此在进行冲击响应数据采集时，当爆距距船中距离在1/5船长内，冲击响应点应该多取，而当爆距距船中距离在1/5～1/2船长内，冲击响应测点考核点可以少取。

4 结语

本文通过对典型小水线面双体船进行实体建模，利用数值仿真手段模拟了其在水下爆炸试验工况下的冲击响应，通过总结影响试验冲击响应数据的各关键爆炸参数，包括爆炸攻角、爆炸药量、爆炸方位及爆炸水深变化时双体船冲击响应规律，为相关双体船型抗冲击试验测点布置及响应趋势提供预报和参考，主要得出以下结论:

1)双体船结构的冲击响应随爆炸药量的增加似呈线性规律递增;

2)随着爆炸水深的增加，双体船结构的冲击响应似呈抛物线规律衰减;

3)双体船结构的应力随着爆炸攻角的增大而增大，在90°爆角结构响应最为激烈，因此在进行舰船极端工况冲击响应数据采集时，可将试验方案取为90°爆炸攻角;

4)当爆炸方位沿船长变化时，爆距距船中距离在1/5船长内，冲击响应变化趋势明显，测量点应该多取，而当爆距距船中距离在1/5～1/2船长内，冲击响应变化不大，测点可以少取。

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Research on measuring scheme of shock response in small waterline area catamaran anti-shock experiment

GU Bin1，YUE Yong-wei2，LI Meng-yang2
(1．College of Architecture and Civil Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China;
2．College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China)

Based on the idea of numerical simulation results directing the experiment scheme，typical small waterline area catamaran entity model was established，and the shock response of underwater explosion experimental condition was simulated by acoustic-structure coupling method．Then each explosion key parameter which mainly influence the shock response results besides explosion attack angle，explosion dosage，explosion place and explosion water depth was summarized，catamaran shock response distribution changed law with the variation of each explosion parameter was revealed，it can be the significant forecast and reference for measuring points setting and shock response trend of relevant catamaran hull anti-shock experiment．

anti-shock experiment;catamaran;shock response;response law;measuring points setting

古滨(1961－)，男，副教授，研究方向为基础力学。

U661．44

A

1672－7649(2013)05－0025－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.05.006

2012－05－25;

2013－01－11

牵引动力国家重点实验室项目资助(TPL1108)