水下爆炸作用下箱型梁舰船冲击环境数值研究

吴子奇，王耀辉，吕 帅，刘翠丹

(哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001）

水下爆炸作用下箱型梁舰船冲击环境数值研究

吴子奇，王耀辉，吕 帅，刘翠丹

(哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001）

舰船的冲击环境研究是舰船抗爆炸抗冲击设计的基础。箱型梁作为新型甲板结构，势必会从结构形式和总布置2个方面改变舰船刚度和质量的分布，从而改变了舰船的冲击环境。本文通过数值仿真技术，建立箱型梁结构舰船水下爆炸模型，运用冲击响应谱分析方法对箱型梁舰船结构冲击环境进行研究，将箱型梁舰船冲击环境特性与母型船进行对比，并将箱型梁内外冲击环境特性进行描述，得出箱型梁－舰船冲击环境特性规律，对箱型梁舰船抗水下爆炸冲击设计有一定的参考意义。

水下爆炸;箱梁;冲击响应谱;冲击环境

0 引言

军用船舶在执行任务过程中不可避免地会遭受导弹、鱼雷、水雷等武器的威胁和打击，随着武器威力及制导技术的不断更新换代，舰船被打击命中的概率越来越大，且损伤效果也越来越严重，为此各国海军在舰船抗水下爆炸性能方面开展了大量研究［1］。其中，舰船设备抗冲击性能是反映舰船生命力的重要环节，是评估舰船设备抗冲击能力的基础。水面舰船及设备系统的抗冲击能力直接关系到舰船战斗力、生命力，冲击环境作为抗爆抗冲击设计的基础，引起了越来越多的关注［2］。

舰船冲击环境主要通过理论研究、试验研究、数值研究等方法，由此开展了众多研究［3－5］。由于舰船在水下爆炸作用下结构的冲击响应为强非线性过程，其作用过程十分复杂，因此理论研究仅适用于求解简单结构的动响应问题，不适合求解复杂的工程结构;而对舰船冲击环境研究最有效、最真实的方法是实船试验，欧美海军强国大都以此来对舰船的冲击环境进行研究，但实船试验费用高且可操作性不强。然而数值计算方法克服了以上诸多不利因素，对舰船冲击环境研究起到很大的促进作用。

随着舰船抗水下爆炸性能研究的迅速发展，箱型梁作为新型结构形式已在现代舰船上得到应用，德国F－124“萨克森”级护卫舰(见图1）及其姊妹舰等均采用箱型梁结构。箱型梁的应用不仅改变了舰船结构，同时也影响了舰船的抗冲击响应特性。因此，研究箱型舰船的冲击环境和结构抗冲击响应特性，对促进舰船及设备系统的抗水下爆炸冲击性能和提高舰船生命力起重要作用。

1 数值计算模型

根据已有研究成果［6］确定箱型梁具体布置形式，并以此为依据建立箱型梁舰船数值模型。以现有舰船模型为母型船，在其内部连续甲板上加装3根尺寸近似的纵向箱型梁，使之贯穿船体并与强横舱壁组成加强框架体系，其中2舷侧箱型梁水平对称布置于舷顶外板和甲板边板处，中间箱型梁布置于原甲板龙骨处并位于舰船前、后大开口之间，如图2所示，经模态分析验证模型准确有效。

图1 德国F－124“萨克森”级护卫舰Fig.1 Germany F－124 Saxon class frigates

图2 箱型梁舰船示意图Fig.2 Sketch of box-girder ship

经验证，箱型梁舰船和母型船2种数值仿真模型一阶和二阶固有频率较实船模型误差均控制在较小范围内以内，所以初步认为2种模型准确有效。

2 冲击响应谱

冲击响应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的最大响应随振子固有频率变化的图谱［7］，最早由布洛特(Blot.M.A）于1963年提出。冲击响应谱可用以直接估计某一冲击引起的最大响应水平，评定它对结构或设备造成的影响。因此，它可以为冲击隔离的设计与冲击环境的模拟提供基本数据，是一种广为接受的描述冲击环境的方法［8］。冲击响应谱是一种四维的响应图谱，横坐标表示频率，纵坐标表示速度，与横坐标成+45°坐标系表示相对位移，与横坐标成－45°坐标系表示加速度。为规范冲击环境操作，首先提取考核点的加速度历时曲线，经滤波分析后，使用实验室内部程序进行计算冲击响应数据，最终画出冲击谱并读出该考核点的谱位移、谱速度和谱加速度，流程如图3所示。

图3 绘制冲击响应谱流程Fig.3 Process of drawing the shock response spectrum

3 工况设置

水下爆炸会产生冲击波和气泡载荷2个阶段效应。气泡载荷通常引起舰船结构低频响应［9－11］，从而对舰船造成整体毁伤。冲击波载荷对舰船破坏具有较大的复杂性和不确定性，在研究过程中通常采用冲击因子来描述攻击强烈程度［12－13］。冲击因子与药包质量和爆距及攻角有关，通常水面舰船采用龙骨冲击因子KSF和壳板冲击因子HSF两种定义方式，根据考核对象不同，所选取的冲击因子也不同 (见图4）。

图4 不同冲击因子爆距示意图Fig.4 Blasting distances of different shock factor

其中龙骨冲击因子用于评估冲击环境，而板壳冲击因子用于评估舰船局部和总体结构强度。本文对应2种舰船结构毁伤等级，以30°攻角0.32和0.38龙骨冲击因子为典型工况，采用箱型梁舰船整船为计算模型，以典型剖面的各层甲板为考核对象。

4 箱型梁舰船冲击环境分析

箱型梁在舰船结构中的应用，势必会从结构形式和总布置2个方面改变舰船刚度和质量的分布，从而改变舰船的冲击环境特征。为研究箱型梁舰船冲击环境特性，在沿船长方向分别选取0.25L，0.5L和0.75L三个典型剖面进行分析。在某特定工况下，选取考核剖面的各层甲板上若干考核点进行研究。如图5所示，X轴正方向指向船尾，Y轴正方向指向为右舷，Z轴正方向为铅垂向上。

4.1 两种工况下横向和垂向冲击环境的比较

图5 典型剖面示意图Fig.5 Sketch of typical transverse sections

图6 横向与垂向冲击环境比较Fig.6 Sketch of horizontal and vertical shock environment

选取0.5L为典型考核剖面，对不同工况下舰船结构横向和垂向的冲击环境进行研究。图6为2种工况下箱形梁舰船结构响应沿船宽分布曲线。由图可知，0.38冲击因子作用效果较0.32冲击因子作用效果显著，约为其1～1.5倍;在同一工况下，垂向作用效果远高于其横向作用效果，约为其3倍。因此，在冲击环境考核过程中，着重考核2种工况下垂向谱位移、谱速度和谱加速度。

4.2 原船与箱型梁舰船典型剖面比较

选取0.5L作为典型考核剖面，对不同工况下箱形梁舰船和母型船一甲板和二甲板的冲击环境进行研究，图7和图8为2种工况下舰船结构响应沿船宽分布曲线。

图7 箱型梁舰船与原船一甲板冲击环境比较Fig.7 1st deck of box-girder ship and original ship shock environment

图8 箱型梁舰船与原船二甲板冲击环境比较Fig.8 2nd deck of box-girder ship and original ship shock environment

表1 箱型梁舰船与原船甲板冲击环境平均值 (0.38工况）Tab.1 The decks shock environment average of box-girder ship and original ship

由图7可知，一甲板由于布置了箱型梁，重量与刚度均有改变，使得箱型梁舰船谱位移和谱速度较原船有所增加，而甲板箱型梁处谱加速度较原船有所减小，且箱型梁舰船谱加速度沿船宽变化趋势较原船光顺平稳。由图8可知，二甲板由于受一甲板影响，箱型梁舰船的谱位移和谱速度较原船有所增加，但变化趋势大致相同，而谱加速度较原船变化不大，仅在受冲击方向谱加速度有一定增加。由表1可知箱型梁舰船一、二甲板平均谱位移较原船分别增大52.5%和36.3%，平均谱速度较原船分别增大26.7%和22.2%，而一甲板平均谱加速度减小11%，二甲板平均谱加速度增大14.4%。

4.3 箱型梁舰船同一甲板不同剖面比较

取箱型梁舰船0.25L，0.5L和0.75L典型考核剖面，在0.38冲击因子作用下，选取相对应考核点进行谱位移、谱速度和谱加速度比较，图9和图10为2种工况下舰船结构响应沿船宽分布曲线。

图9 箱型梁舰船一甲板0.25L，0.5L与0.75L剖面比较Fig.9 1st deck 3 typical transverse sections shock environment of box-girder ship

图10 箱型梁舰船二甲板0.25L，0.5L与0.75L剖面比较Fig.10 2st deck 3 typical transverse sections shock environment of box-girder ship

表2 箱型梁舰船各剖面甲板平均值Tab.2 The decks shock environment average of box-girder ship

由图9可知，一甲板舷侧箱型梁谱位移和谱速度沿船长方向变化幅度较小，谱加速度无明显变化规律，而一甲板其他位置谱位移、谱速度和谱加速度沿船长方向变化幅度明显。由图10可知，二甲板谱位移、谱速度和谱加速度总体变化趋势相似，二甲板0.25L剖面处谱位移、谱速度和谱加速度变化幅度均高于其他剖面。由表2可知箱型梁舰船一甲板最大平均谱位移在0.5L剖面处为2.6 cm，最大平均谱速度在0.75L剖面处为1.3 m/s，最大平均谱加速度在0.75L剖面处为108.4 g;箱型梁舰船二甲板最大平均谱位移、谱速度和谱加速度均在0.25L剖面处分别为3.2 cm，1.9 m/s和149.9 g。

4.4 箱子型船内部冲击环境特性分析

箱型梁内部冲击环境关系到箱型梁内部能否对纵向设置的管路、电缆提供保护。因此，选取箱型梁内底作为其内部冲击环境的考核对象。为更好地研究箱型梁内部冲击环境特性，将箱型梁内部和外部冲击环境进行对比，依然在某特定工况下，以0.25L，0.5L和0.75L三个典型剖面进行分析研究。

4.4.1 0.25L剖面箱型梁内部冲击特性

图11 0.25L剖面箱型梁冲击谱Fig.11 Shock response spectrum of typical transverse sections

表3 0.25L剖面箱型梁冲击谱数据Tab.3 Shock response spectrum datum of typical transverse sections

图11为箱型梁舰船0.25L剖面各位置箱型梁内、外部冲击谱，其中数据对应表3。由表3可知，在0.25L剖面处，两舷侧箱型梁内部谱位移较外部分别降低7.4%和4.9%，谱速度较外部分别降低9.6%和15.5%，左舷侧箱型梁内部谱加速度较外部提高4.9%，而右舷侧降低23%，中间箱型梁内部谱位移、谱速度和谱加速度较外部分别提高2.8%，15.9%和54.7%。

4.4.2 0.5L剖面箱型梁内部冲击特性

图12 0.5L剖面箱型梁冲击谱Fig.12 Shock response spectrum of typical transverse sections

表4 0.5L剖面箱型梁冲击谱数据Tab.4 Shock response spectrum datum of typical transverse sections

图12为箱型梁舰船0.5L剖面各位置箱型梁内冲击谱，其中数据对应表4。由表4可知，在0.5L剖面处，两舷侧箱型梁内部谱位移较外部分别降低6.5%和8.2%，谱速度较外部分别提高5%和6%，谱加速度较外部分别提高76.8%和66.3%，中间箱型梁内部谱位移、谱速度和谱加速度较外部分别降低16.6%，21%和23.4%。

4.4.3 0.75L剖面箱型梁内部冲击特性

图13 0.75L剖面箱型梁冲击谱Fig.13 Shock response spectrum of typical transverse sections

表5 0.75L剖面箱型梁冲击谱数据Tab.5 Shock response spectrum datum of typical transverse sections

图13为船0.7L剖面各位置箱型梁内、冲击谱，其中数据对应表5。由表5可知，在0.7L剖面处，两舷侧箱型梁内部谱位移较外部分别降低14.1%和10.4%，谱速度较外部分别提高11.2%和12.7%，左舷侧箱型梁内部谱加速度较外部降低3.5%，而右舷侧提高18.8%，中间箱型梁内部谱位移、谱速度和谱加速度较外部分别降低17.7%，17.4%和13.5%。

5 结语

通过上述仿真实验数据分析可知，箱型梁引起了船体质量增加和刚度分布的改变，使得相应的船体抗冲击环境有所改变，具体体现在谱位移、谱速度和谱加速度的改变。总体来说，箱型梁舰船一、二甲板平均谱位移和谱速度较原船有所增大，而一甲板谱加速度较原船略有减小，二甲板谱加速度较原船有所增大;箱型梁舰船一甲板谱位移、谱速度和谱加速度幅值较二甲板大;箱型梁内部谱位移和谱速度较箱型梁外部略有所减小，内部谱加速度较外部有一定程度增加。综上所述，箱型梁结构甲板形式改变了舰船原有的冲击环境特性，一定程度上加剧了个别位置的结构抗冲击响应特性，因此对各甲板上的仪器设备及箱型梁内部布置线缆、管路等，需要提高其抗冲击标准，对相应位置及其连接结构作进一步优化。

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Numerical simulation study of box-girder ship shock environment

WU Zi-qi，WANG Yao-hui，LV Shuai，LIU Cui-dan
(College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

The research of naval ship shock environment of is the foundation of design of ship resistance to impact.Box-girder as a new deck form is bound to change the stiffness and quality from the structure and general arrangement，thus changes the ship shock environment.Through numerical simulation technology，the box-girder ship underwater explosion model is founded，the method of shock response spectrum analysis is used on the research of the ship shock environment，then the shock environment characteristics of the box-girder ship would be obtained，which is playing a guiding significance to the design of ship resistance to impact.

underwater explosion;box-girder;shock response spectrum;shock environment

O389

A

1672－7649(2013）03－0019－08

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.03.005

2012－07－09

国家安全重大基础研究资助项目(613157020102）

吴子奇(1987－），男，硕士，研究方向为船舶与海洋结构物设计制造。