多发武器攻击时水面舰船的冲击环境研究

李 青 张阿漫 李 佳

1中国舰船研究设计中心，上海201102 2哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001

多发武器攻击时水面舰船的冲击环境研究

李 青1张阿漫2李 佳2

1中国舰船研究设计中心，上海201102 2哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001

采用有限元方法对水面舰船的冲击环境进行分析，在建立整船有限元模型的基础上，对药包设定了不同的爆炸距离和爆炸方位等多种工况，分别对舰船遭受单发武器攻击、两发武器同时攻击时的情况进行分析，探讨了结构的响应随着爆距变化的规律，并采用无量纲的方法进行了数据处理，使之能够在更多的水面舰船上应用。研究结果表明，两发武器同时攻击时的船体冲击响应可近似等于单发武器各自攻击时的船体冲击响应的代数和。对于水面舰船抗冲击设计具有一定的借鉴意义，对于水面舰船的生命力评估也具有一定的工程价值。

舰船；冲击试验；有限元模型；武器攻击

1 引言

在现代海战中，舰船遭受武器攻击［1］的主要冲击源有3个：第一，接触性爆炸，如遭受导弹、激光炸弹直接攻击，这种类型的攻击往往会造成局部船体损毁及舰用系统、设备损毁；第二，水中非接触性爆炸，如遭受鱼雷、水雷、深水炸弹的冲击，这种类型的冲击又可分为近场爆炸和远场爆炸，近场爆炸容易造成船体及舰用系统、设备的破坏，远场爆炸容易造成整个船体结构的变形、屈曲甚至破损，内部设备会发生大范围的冲击破坏失效，导致舰船丧失机动能力或作战能力；第三，自身武器发射时后坐力造成的冲击，也会影响到舰载设备的正常运转。从这3种冲击方式来看，舰船遭受水下爆炸的非接触性爆炸的概率比直接命中的概率大，也是最危险的。舰船遭受水下爆炸的非接触性爆炸时，可以依据爆距R与炸药半径a的比值来划分属于近场爆炸还是远场爆炸，一般认为1＜R／a＜30的范围内，即相当于火球区和火球区外围，属于近场爆炸，在30＜R／a＜110的范围内，属于中场爆炸，当R／a＞110时，可以认为属于远场爆炸［2］。文中针对不同爆炸距离和爆炸方位，分别对结构施加单发武器和多发武器攻击，开展结构的抗冲击研究。

2 模型说明

本文应用国际上通用的有限元软件ABAQUS中的声固耦合算法，模拟分析舰船遭受水下爆炸载荷作用后的结构响应［3］。在进行舰船水下爆炸数值计算的过程中，建立精确的有限元模型很重要，有限元模型的精确与否直接影响分析结果。在用ABAQUS分析舰船水下爆炸时，由于ABAQUS的前处理功能相对比较弱，用它建立完整的舰船有限元模型十分困难。这时可以从其他专业建模软件（如Pro／E、AutoCAD）中导入，或者在其他前处理软件（如HYPERMESH）中划分网格后直接用里面的ABAQUS模板生成＊.INP文件。如果有已经建好的其他有限元模型也可以自己编程转换。本文是利用编程手段将ANSYS下已有的模型转成ABAQUS下的模型。

在进行舰船水下爆炸模拟的过程中，网格划分的因素起到了关键的作用［4］。在实际工作当中，往往需要凭借使用者的经验来判断网格的密度。本文认为如果使分析结果和实验比较吻合，结构以及结构周围的流场一般在一个冲击波波长内至少有10～25个网格，而外部流场在一个冲击波波长之内大约有1～5个网格即可［5］。对于大模型来说，如果流场网格太细，需要耗费大量计算时间。为了节省计算时间又能够基本保证计算精度，通常在流固交接面附近划分高精度网格，而其余流场网格可以略粗一些［6，7］。这样，舰船外部流场就被分成了两层，如图1所示。

图1 I型舰的有限元模型网络划分示意图

在图2所示的有限元模型中，I型舰的坐标系统为：中纵剖面、中横剖面，基平面交点为坐标原点，X轴向船首为正，Y轴向左舷为正，Z轴垂直向上为正。其有限元模型如图2所示。

图2 I型舰实船有限元模型

3 船体冲击响应数据处理方法

3.1 冲击谱

冲击环境的冲击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作用的最大响应随振子固有频率变化的图谱。在冲击激励作用期间，最大响应峰值随振子固用频率变化的图谱称为“初始谱”［8－10］。在冲击激励作用结束后，最大响应峰值随振子固有频率变化的图谱称为 “剩余谱”。在舰船冲击动响应的分析计算中，常用四维坐标描述冲击谱，用谱速度作为纵坐标，频率作为横坐标，与横坐标成＋45°和－45°的坐标系，分别表示相对谱位移和谱加速度。对冲击谱曲线进行拟合即得到实际应用中常用的设计冲击谱，图3所示即为典型的设计冲击谱。

图3 设计冲击谱

3.2 冲击响应的无量纲化

为了寻找水面舰船结构冲击响应随着冲击因子的变化规律，以及冲击响应在舰船结构上的分布规律，需要将谱速度和谱加速度无量纲化。

3.2.1 谱加速度的无量纲化

首先，定义一个特征加速度，为了便于分析，给出入射波与船体表面结构的相互作用的简图，如图4所示。

图4 入射波与船体表面结构的相互作用

图4中，pi为冲击波入射压力；pr为冲击波入射到船体表面后发生反射形成的反射压；α为入射角；φ为船体表面在入射点处与水平方向的夹角。用来粗估水面舰船底舱部位垂向冲击输入之简化设计谱有关参数的理论算式为：

式中，Ae为船体的特征加速度；Pm为结构表面处的压力峰值；As为船底有效承载面积；φ为船底外表面与水平方向的夹角，如图4所示。

则有

式中，A′为船底板面积，m2；Aw为水线面面积，m2；A′w为水线面有效承载面积，m2；η为有效承载面积比，它的计算式为：

其中带板半宽可以计算为：

式中，Zδ为无量纲参数，其值按下式计算。

则特征加速度可以表示为：

对谱加速度进行分析时，为了将加速度无量纲化，将谱加速度与特征加速度的比值称为无量纲加速度。无量纲加速度定义式可以写为：

3.2.2 谱速度的无量纲化

与加速度预测公式相类似，水面舰船底舱部位特征速度的粗估公式：

同理，可以用特征速度Ve将谱速度无量纲化，无量纲谱速度定义为：

4 数值结果

4.1 单发武器攻击的船体冲击环境

横坐标无量纲坐标x定义为：

式中，L为船长；X为船体各分段的纵向坐标，船首方向为正。爆炸工况分艏部爆炸、中部爆炸和艉部爆炸，药量为1 000 kg，爆炸攻击角度为90°，爆距分5 m、30 m和60 m，海底反射系数取为1.0。按照3.2.2节中的式（6）、式（8）将谱速度和谱加速度进行无量纲化得到无量纲谱速度V和无量纲谱加速度A，作出曲线分析规律。无量纲化的特征谱速度和特征谱加速度选为药包在船底正下方一定距离处爆炸时，迎爆点的谱速度和谱加速度。在以后的分析中，使用的均为V和A。

图5分别给出了5 m、30 m和60 m工况下舰船的无量纲谱速度和无量纲谱加速度沿船长的分布曲线。

从图5可以看出，药包在艏部爆炸时，最大无量纲谱速度和谱加速度值都出现在船首附近，位于艏部1／4船长处；在中部爆炸时，最大无量纲谱速度和谱加速度值都出现在船中附近；在艉部爆炸时，最大无量纲谱速度和谱加速度值都出现在船尾附近，位于船长的3／4处。而离爆心越远，结构的冲击响应越小。可以认为：对于近场爆炸，冲击波引起的结构响应大都体现在局部位置处，局部效应比较明显。距离爆心很近的部位受冲击最严重，远一些的部位冲击响应很快衰减。艏部由于相对质量比较轻，结构刚度大，因此艏部结构的冲击响应相比中部和艉部都出现了较大的现象。

图5（b）30 m爆炸距离时无量纲谱速度V沿船长的分布

图5（c）60 m爆炸距离时无量纲谱速度V沿船长的分布

图5（d）5 m爆炸距离时无量纲谱加速度A沿船长的分布

图5（e）30 m爆炸距离时无量纲谱加速度A沿船长的分布

图5（f）60m爆炸距离时爆炸工况无量纲谱加速度A沿船长的分布

4.2 两发武器同时攻击时的船体冲击环境

船体结构由于静水压力产生的预应力很小，可以忽略不计，计算时只考虑爆炸引起的冲击波载荷。舰船遭到双发武器攻击的情况，无量纲坐标X的定义、特征速度和特征加速度的取值与3.2节中相同。爆炸工况分艏艉爆炸（船首和船尾各一发武器同时爆炸）、艏中爆炸和中艉爆炸，每发武器的药量为1 000 kg，爆炸攻击角度为90°，爆距分5 m、30 m和60 m，海底反射系数取为1.0。图6分别给出了5 m、30 m和60 m工况下舰船的无量纲谱速度和无量纲谱加速度沿船长的分布曲线。

图6（a）5 m爆炸距离时无量纲谱速度V沿船长的分布

图6(b)30m爆炸距离时无量纲谱速度V沿船长的分布

图6显示无量纲谱速度V曲线和无量纲谱加速度谱加速度A曲线在爆心位置处有明显的凸起。艏中爆炸时，结构的无量纲谱速度峰值和无量纲谱加速度峰值出现在艏部和中部的对应距离结构最近处；艏艉爆炸时，结构的无量纲谱速度峰值和无量纲谱加速度峰值出现在艏部和艉部的对应距离结构最近处。中艉爆炸时的情况也比较类似。由于药包数目增加，船上冲击响应增加，但由于药包分布距离较大，在远场爆炸和中远场爆炸工况中，船上冲击响应趋于均匀化。这说明对于近场爆炸，冲击作用表现为对船体的局部作用，药包爆炸引起结构的冲击响应体现为局部比较剧烈，其余位置的响应比较缓和。

4.3 单发武器爆炸工况和两发武器同时爆炸工况的对比分析

所有的两发武器同时爆炸工况均可看作由两个单发武器爆炸工况组合而成，单发武器和两发武器之间的关系如下。

1）5 m爆距的爆炸工况

s_gk01（艏艉爆炸）＝d_gk01（艏部爆炸）＋d_gk03（艉部爆炸）；

s_gk02（艏中爆炸）＝d_gk01（艏部爆炸）＋d_gk02（中部爆炸）；

s_gk03（中艉爆炸）＝d_gk02（中部爆炸）＋d_gk03（艉部爆炸）

2）60 m爆距的爆炸工况

s_gk19（艏艉爆炸）＝d_gk19（艏部爆炸）＋d_gk21（艉部爆炸）；

s_gk20（艏中爆炸）＝d_gk19（艏部爆炸）＋d_gk20（中部爆炸）；

s_gk21（中艉爆炸）＝d_gk20（中部爆炸）＋d_gk21（艉部爆炸）。

以上只给出了6组典型工况的组合形式，对于两发武器同时在艏部或中部、艉部爆炸的工况，同样可以由上述组合得到。无量纲坐标X的定义、特征速度和特征加速度的取值与3.2节中相同。图7给出了的几个典型工况的对比图。图7系列中的每幅图中的4条曲线分别是两发武器同时爆炸的无量纲谱速度V（无量纲谱加速度A）随X的变化曲线、相应的两个单发的V－x（A－x）曲线、两个单发代数和的V－x（A－x）曲线。

图7中单发武器攻击产生的无量纲谱速度V（无量纲谱加速度A）值的代数之和曲线与双发武器同时攻击产生的无量纲谱速度V（无量纲谱加速度A）曲线吻合较好，在结构上的分布规律也基本相同。图7仅给出了4组典型工况的数值结果，对两发武器同时在艏部或中部、艉部爆炸的工况，也得到类似结果。通过对各种双发武器攻击工况与单发武器组合攻击工况进行数值模拟分析与对比，可近似认为两发水下武器同时爆炸的无量纲谱速度（谱加速度）等于相应两个单发值的代数和。

5 结论

文中对无量纲谱速度和谱加速度的计算方法和理论进行了阐述，并利用该方法计算了典型水面舰船在遭受不同工况的水下爆炸时的冲击响应，对比各种工况及总结规律，为工程设计和计算提供参考。经数值模拟计算，得出以下结论。

1）单发近场爆炸中，爆心位置对船上冲击响应的分布影响显著，离爆心越近冲击响应越大，随着离爆心距离的增加，冲击响应迅速减小。远场爆炸中，爆心位置对船上冲击响应的分布影响很小，船上各部分的响应趋于均匀化。所以，近场爆炸冲击响应具有局部性，远场爆炸冲击响应具有整体性。

2）两发武器爆炸的工况中，由于药包数目增加，船上冲击响应增加，但由于药包分布距离较大，在远场爆炸和中远场爆炸工况中，船上冲击响应趋于均匀化。

3）两发武器爆炸的冲击响应无量纲谱速度均值及无量纲谱加速度均值与相应两个单发工况之和的大小关系不定，但相差较小，并且两发武器爆炸的无量纲谱速度均值、无量纲谱加速度值在结构上的分布大致也可由两个单发武器工况相加得到。因此，可以通过两个单发武器攻击产生的冲击环境的代数和来预测两发武器同时爆炸产生的冲击环境。

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Structural Response of Warship under Attack of Multiple Weapons

Li Qing1Zhang A－man2Li Jia2
1 China Ship Development and Design Center，Shanghai 201102，China 2 School of Shipbuilding Engineering，Harbin Eng Univ，Harbin 150001，China

By employing the finite element method，this paper analyzed the impulse environment of a surface warship，when it was subjected to attacks，and discussed the laws of the impulse response.Based on the finite element model of the warship，a lot of cases of different standoff distances and attack directions were set up to calculate its anti－shock performance.Two different conditions were calculated and analyzed：under single attack and under two simultaneous attacks.The data were treated non－dimensionally，which made it available for other surface ships.The results show that the impulse response of the surface ship under two simultaneous attacks approximately equals the algebraic sum of the impulse responses of the surface ship under two seperate attacks.This paper gives some insights into the design of surface ships for improving anti-shock performance，and it is of engineering value in survivability assessment of surface ships.

warship；shock test；Finite Element Model；weapon attack

文献标志码：A 文章编号：1673－3185（2009）06－15－06

2008－09-17

李 青（1981－），男，硕士研究生，助理工程师。研究方向：船舶工程。E-mail：lirise98＠yahoo.com.cn

张阿漫（1981－），男，博士后，副教授。研究方向：舰船结构动力学，水下爆炸。E-mail：amanzhang＠gmail.com