水下爆炸冲击对船舶艉轴架轴承响应特性的影响分析

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(1.海军驻大连426厂军事代表室，辽宁 大连116000；2.中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

船舶艉轴架轴承是船舶推进系统中较为脆弱的部件之一，它悬挂在船艉，负载大、刚性差，完全浸泡于水中，容易受到外界环境的影响。当发生水下爆炸时，艉轴架轴承所受到的破坏也更为严重，直接影响到船舶轴系的推进性能及船舶的续航能力。目前，国内外相关研究主要都集中在爆炸冲击对船壳结构的影响，很少对抗爆结构进行研究，如爆炸冲击对艉轴架轴承的影响[1]。研究船舶艉轴架轴承在水下非接触爆炸冲击作用下的响应特性，有助于优化艉轴架轴承结构，提高抗冲击能力，以保证其可靠性和安全性[2]。

以某船舶的艉轴架轴承(见图1)为研究对象，应用有限元仿真方法，在不考虑水域自身流场和螺旋桨抽吸作用下，研究炸药当量和爆心位置对艉轴架轴承的位移、应力和速度等响应特性的影响规律。

图1 艉轴架轴承示意

1 模型的建立

艉轴架轴承结构示意见图2。各部件的几何

图2 艉轴架轴承结构尺寸示意

参数和材料属性见表1～3。

表1 艉轴架轴承结构尺寸 mm

表2 螺旋桨的主要参数

表3 主要零件材料性能参数

应用Ansys/LS-dyna软件对某船舶艉部的局部区域进行数值仿真。设定船体的坐标系，坐标系的基平面YOZ与船体的中纵剖面重合;X轴指向船体的右舷;Y轴垂直于水线面且以向上为正;Z轴指向船艉。仿真计算采用cm-g-μs单位制，船体艉部局部区域的三维模型见图3。

图3 船体艉部的局部区域模型

考虑到船体结构及其所在的水域均具有对称性，为提高计算效率，仿真计算将采用1/2建模法建立船体及其所在水域的有限元模型[3]，见图4。

图4 船体艉部及其所在水域的仿真计算模型

模型有456 483个节点和448 632个单元，水域为15 m×20 m×35 m，水域的边界条件设置为无反射边界条件[4]。

仿真计算将采用ALE算法[5]，炸药和水介质分别采用JWL状态方程和Gruneisen状态方程，其状态参数[6]见表4。

表4 TNT炸药和水介质的状态参数

为保证爆炸冲击波能够在水中有效地形成，提高计算精度，一般都要求爆炸点与研究对象之间的爆炸距离应不小于6倍的炸药包半径。

2 炸药当量的影响

探讨在近距离水下爆炸下，炸药当量对船舶艉轴架轴承响应特性的影响。主要研究对象为轴承外壳、轴承衬套和轴承内衬的下中心点。爆心位于艉轴架轴承外壳下中心点的正下方4 m处，爆心与艉轴架轴承的相对位置见图5。

图5 爆心与艉轴架轴承的相对位置

考虑到相关因素的限制，选取4种不同的炸药当量工况，见表5。

表5 4种工况数据 kg

通过仿真计算，求解出在不同炸药当量工况下，艉轴架轴承各测点处的位移、应力和速度的响应峰值变化，见图6～8。

图6 炸药当量对位移响应峰值的影响

图7 炸药当量对应力响应峰值的影响

图8 炸药当量对速度响应峰值的影响

由图6～8可见，随着炸药当量的增加，各测点处的位移、应力和速度的响应峰值都在不断增加，且它们的增长趋势基本一致。但与位移和速度的响应峰值曲线有所不同，在应力响应峰值曲线中，轴承内衬处的应力是明显小于轴套处和轴承外壳处的应力。虽然3个测点处的变形大致相同，但它们材料的弹性模量却不一样，根据胡克定律，会出现如图7所示的情况。

3 爆心位置的影响

在不考虑艉轴架损坏的情况下，探讨爆心位置对艉轴架轴承的动力学响应特性的影响规律。取炸药当量为104 kg，研究轴承外壳、轴承衬套和轴承内衬的下中心点。

3.1 垂向位置对响应特性的影响

考虑爆炸距离应不小于6倍的炸药包半径，研究中选取了以下4种垂向位置工况，见表6。

表6 4种工况数据 m

爆心位于艉轴架轴承外壳下中心点正下方的Y处，爆心与艉轴架轴承的相对位置见图9。

图9 爆心与艉轴架轴承的相对位置

通过仿真计算，求解出在不同垂向位置工况下，艉轴架轴承各测点处的位移、应力和速度响应峰值的有限元仿真结果，见图10～12。

图10 垂向位置对位移响应峰值的影响

图11 垂向位置对应力响应峰值的影响

图12 垂向位置对速度响应峰值的影响

由图10～12可见，随着爆心离艉轴架轴承的垂向距离增大，艉轴架轴承各测点处的位移、应力和速度的响应峰值变化趋势基本一致，都在不断地减小。

图11表明，炸药当量为104 kg，爆距为2 m时，艉轴架轴承外壳处应力峰值(270 MPa)超过钢材的许用应力(235 MPa)，会造成艉轴架轴承损坏，而其它工况不会对艉轴架轴承造成损坏。

3.2 横向位置对响应特性的影响

以艉轴架轴承外壳下中心点的正下方4 m处作为坐标原点，以指向船舶右舷的方向作为X的正方向，考察爆心离艉轴架轴承的横向位置对轴承响应特性的影响。爆心与艉轴架轴承的相对位置见图13。4种横向位置工况见表7。

图13 爆心与艉轴架轴承的相对位置

表7 4种工况数据 m

通过仿真计算求解出在不同横向位置工况下，艉轴架轴承各测点处的位移、应力和速度的响应峰值变化，见图14～16。

图14 横向位置对位移响应峰值的影响

图15 横向位置对应力响应峰值的影响

图16 横向位置对速度响应峰值的影响

由图14～16可见，随着爆心与艉轴架轴承的横向距离增大，各测点处的应力和速度响应峰值都是不断减小，但位移响应峰值却是先增大后减小。这主要是因为爆心在横向移动时，迎爆面由艉轴架轴承的下底面转移到艉轴架轴承的侧面。由于艉轴架轴承的横向刚度(4.8×109N/m)小于其垂向刚度(6.6×109N/m)，使得迎爆面在侧面时各测点的位移响应峰值大于迎爆面在下底面时。随着爆心横向移动距离的增大，冲击波能量的减小幅度逐渐大于艉轴架轴承刚度减小的幅度，使得各测点的位移响应峰值开始减小。

3.3 纵向位置对响应特性的影响

以艉轴架轴承外壳下中心点的正下方4 m处作为坐标原点，以指向船艏的方向作为Z的正方向，考察爆心的纵向位置对艉轴架轴承响应特性的影响。爆心与艉轴架轴承的相对位置见图17，所讨论的4种工况见表8。

图17 爆心与艉轴架轴承的相对位置

表8 工况数据 m

仿真计算求解出在不同纵向位置工况下，艉轴架轴承各测点处的位移、应力和速度的响应峰值变化，见图18～20。

图18 纵向位置对位移响应峰值的影响

由图18～20可见，随着爆心纵向距离的增大，位移、应力和速度的响应峰值变化趋势基本一致，都在不断地减小。

图19 纵向位置对应力响应峰值的影响

图20 纵向位置对速度响应峰值的影响

4 结论

利用Ansys/LS-dyna软件分析水下爆炸冲击对船舶艉轴架轴承响应特性的影响，此方法能够方便地对艉轴架轴承的抗爆性进行评估与优化，从而提高艉轴架轴承的使用寿命并减少试验费用。但由于条件所限，在分析过程中未能考虑到水域自身流场和螺旋桨抽吸作用对爆炸冲击的影响，所以计算结果与实际之间仍存在着一定的误差。

[1] 蒋国岩,金 辉,李 兵,等.水下爆炸研究现状及发展方向展望[J].科学导报,2009,27(9)：87-91.

[2] 刘建湖.舰船非接触爆炸水下爆炸动力学的理论与应用[D].无锡：中国舰船科学研究中心, 2002.

[3] 姚熊亮.流体网格划分对水下爆炸结构响应的影响[J].哈尔滨工程大学学报,2003,24(3)：237-240.

[4] 贾宪振,胡毅亭,董明荣,等.水下爆炸冲击波毁伤鱼雷壳体结构的数值仿真研究[J].弹箭与制导学报, 2008,28(4)：127-130.

[5] Theodore Trevino.Applications of Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) analysis approach to underwater and air explosion problems[R].AD-A384983,2000.

[6] 李翼祺,马素贞.爆炸力学[M].北京：科学出版社,1992.