载荷下纵向箱型梁横隔板设计

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(1.海军驻武汉七〇一所军事代表室，武汉 430064;2.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240)

德国海军F124护卫舰采用在强力甲板上设置纵向箱型梁的防护结构型式，可以抵挡150 kg TNT当量炸药的攻击，与传统舰船结构形式相比，有效地提高了舰船的防护能力。有关研究人员对纵向箱型梁的防护机理进行了深入的研究，验证了纵向箱型梁可有效提高舰船剩余强度[1-3]。

纵向箱型梁结构作为一种新型的防护结构型式，在进行结构设计时，不仅要满足常规结构强度的要求，还要满足舰船防护能力的要求。在箱型梁内部适当设置横向的隔板，不仅有利于提高甲板板架的局部强度，还可以提高纵向箱型梁面板和腹板的稳定性，从而提高纵向箱型梁的防护能力。本文采用流固耦合算法，对不同形式和厚度横隔板的纵向箱型梁在爆炸载荷下的结构响应进行计算分析，为纵向箱型梁横隔板的结构设计提供依据。

1 计算原理

采用动态非线性有限元程序MSC.Dytran数值计算模拟爆炸载荷作用下箱型梁板架结构的动态响应过程。MSC.Dytran软件中提供了拉格朗日和欧拉两种求解器，既能模拟结构，又能模拟流体，拉格朗日网格和欧拉网格可进行耦合，以分析结构与流体间的相互作用[4-5]。

在计算时，箱型梁板架采用拉格朗日单元模拟，空气和炸药均采用欧拉单元模拟，对箱型梁内部空间和外部空间分别建立不同的欧拉域进行描述，并通过一般耦合定义欧拉域和拉格朗日单元间的流固耦合作用[6]。通过定义拉格朗日单元材料的失效准则，单元失效后不再参与计算[7]。欧拉域的计算采用精确黎曼求解器，该求解方法在空间上具有二阶精度。

2 有限元模型

2.1 结构简化和有限元模型

图1为设置有纵向箱型梁舰船强力甲板的横剖面示意图，为简化计算，只取中间箱型梁作为计算分析对象，简化后模型见图2。

图1 强力甲板横剖面示意

图2 简化计算模型横剖面示意

横隔板结构分为无开孔和有开孔两种形式，图3为两种形式的有限元模型。

图3 横隔板板架有限元模型(面板隐藏)

2.2 材料本构关系

结构材料选用高强度钢，密度7 800 kg/m3,弹性模量210 GPa，泊松比为0.3,屈服强度为440 MPa，硬化模量4 GPa，最大塑性应变为0.08。采用Cowper-Symonds模型考虑应变率的影响，

(1)

式中:σd——动应力;

σ0——静应力;

D,P——材料常数，分别取为40.5和5.0[8]。

用高能高压球形气体模拟TNT炸药，满足γ状态方程：

p=(γ-1)ρ·e

(2)

初始状态下炸药密度ρd=1 600 kg/m3，比内能ed=4.2×106J/kg。空气在初始状态下的密度为1.25 kg/m3，比内能2.1×105J/kg。

3 计算结果与分析

为比较不同形式和厚度的横隔板在爆炸载荷下对箱型梁抗侧向变形能力和对箱型梁内部管线保护能力的影响，分别设置不同的爆炸工况。

3.1 爆炸冲击波的传播

炸药爆炸以后，产生的冲击波由炸药中心向周围传播，当冲击波到达箱型梁或甲板板等结构后，冲击波与结构产生流固耦合作用，冲击波对结构产生冲击破坏作用。不同的炸点位置有不同的冲击波传播过程，以炸点位置在箱型梁正上方为例，图4给出了冲击波的传播过程。

图4 冲击波传播示意

从冲击波的峰值来看，在冲击波到达箱型梁面板时约为10.50 MPa，而在到达甲板边缘时降低到约1.41 MPa。

3.2 横隔板对纵向箱型梁抗侧向变形能力的影响

为了研究横隔板对箱型梁板架抵抗侧向变形能力的影响，选择装药位置在箱型梁右上方(如图5所示)作为计算工况，分别对无开孔和有开孔横隔板的箱型梁板架进行计算。选择评价指标为箱型梁一侧顶点(如图5中的A点)的侧向位移以及该侧箱型梁腹板底部角点(如图5中的B点)的垂向转角，其中位移和转角以冲击波传播方向为正。

图5 炸点及响应输出点示意

图6 不同形式和厚度横隔板箱型梁侧向位移

图7 不同形式和厚度横隔板箱型梁转角

图6和图7给出了箱型梁板架不同板厚和不同形式横隔板的结构响应结果曲线，计算结果分析如下。

1)横隔板厚度越大，纵向箱型梁抵抗侧向变形的能力越强，箱型梁的转角和侧向位移都随横隔板厚度的增加而减小。但随着横隔板厚度的逐渐增加，箱型梁侧向位移和转角减小的速度也随之减小，抵抗侧向变形能力的提高逐渐减小；

2)在板厚相同时，横隔板开孔后其强度会有所降低，箱型梁抵抗侧向位移的能力有所下降，在板厚较小时表现尤为明显。因此当横隔板开孔时，需要对横隔板板厚进行增加以保证足够的强度。

3.3 横隔板对纵向箱型梁内部管线保护能力的影响

箱型梁内部空间可以用于布置电缆管路，因此需要对开孔横隔板的变形进行控制，以保证对电缆管路的保护作用。为了研究横隔板对箱型梁内部管线保护能力的影响，选择装药位置为箱型梁正上方以及箱型梁右上方为计算工况，对开孔横隔板进行计算，见图8、9。以横隔板开孔直径的最小值作为评价指标，直径越小，对电缆管路的防护能力越差。

图8 正上方炸点示意

图9 右上方炸点示意

图10 爆炸载荷作用下横隔板开孔最小直径

图10给出了仿真计算的结果，结果分析如下。

1)在给定爆炸工况下，当横隔板厚度较小时(t=2 mm、4 mm、6 mm)，在冲击波作用下，横隔板发生剧烈的挤压变形，见图11，并有部分失效单元，意味着可能会有碎片产生，对内部电缆管路的保护不利；当横隔板厚度较大时(t=12 mm、16 mm)，横隔板并未产生明显的变形，可以对内部电缆管路提供有效的保护。

图11 甲板正上方炸点横隔板变形图

2)在给定爆炸工况下，随着横隔板厚度增加，表明横隔板的变形减小。增加横隔板厚度可以提高对内部电缆管路的保护能力。

3)在横隔板厚度相同时，由于正上方炸点距离箱型梁较近，作用在箱型梁上的冲击载荷大于右上方炸点工况，正上方炸点工况横隔板变形明显大于右上方炸点工况。因此在进行横隔板抗爆能力设计时需要考虑设计要求的炸药量和炸点距离。炸药量越大、炸点距离越近，需要的横隔板厚度越高。

4 结论

1)横隔板厚度对箱型梁抗爆防护能力有明显影响，增加横隔板厚度可以提高箱型梁的抗爆能力；

2)对于一定的爆炸载荷，当横隔板厚度达到一定数值后，继续增加横隔板厚度对箱型梁抗爆能力的提升不明显；

3)在实际设计时，应根据给定的爆炸冲击载荷和要求的防护能力对横隔板进行设计，保证横隔板结构的最优化。

[1] FLORENCE A L.Clamped circular rigid-plastic plates under central blast loading [J].International Journal of Solids and Structures,1966(2):319-335.

[2] 王佳颖，张世联，彭太伟.非接触爆炸下纵向箱型梁舰船的极限承载能力研究[J].中国舰舶研究，2006(1):22-29.

[3] 刘士光,胡要武,郑际嘉.加筋周支方板在爆炸载荷作用下的刚塑性动力有限变形系[C]∥中国造船工程学会力学委员会船舶结构应力分析(暨六届)波浪载荷(暨五届)学术讨论文集,1992.

[4] 刘士光,胡要武,郑际嘉,等.固支加筋方板爆炸试验研究[C]∥中国造船工程学会力学委员会船舶结构应力分析(暨六届)波浪载荷(暨五届)学术讨论文集,1992.

[5] 吴有声,彭兴宇,赵本立.爆炸载荷作用下舰船板架变形与破损[J].中国造船,1995(4):55-61.

[6] 梅志远,朱 锡,刘润泉.船用加筋板架爆炸载荷下动态响应数值分析[J].爆炸与冲击,2004,24(1):80-84.

[7] DU Zhipeng,LI Xiaobin,XIA Lijuan.Numerical Simulation of Warship Broadside Protective Structure Rupture under Inner Explosion [J].Journal of Ship Mechanics.2007,11(3):453-461.

[8] 侯海量,朱 锡,梅志远.舱内爆炸载荷及舱室板架结构的失效模式分析[J].爆炸与冲击,2007,27(2):151-158.