大型军辅船抗空爆结构毁伤特性数值研究*

2013-10-22梁德利岳永威王奂钧陈海龙

传感器与微系统 2013年5期

梁德利，王超，岳永威，王奂钧，陈海龙，2

（1．哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001;2．哈尔滨工业大学航天学院，黑龙江哈尔滨 150001）

0 引言

空中爆炸问题［1］的研究由来已久，目前，针对空中爆炸问题的研究分为非接触爆炸和接触爆炸2种，非接触爆炸只涉及简单的冲击波问题，而接触爆炸则涉及到固、液、气三相耦合问题，且由于空气的可压缩性，在研究难度上较水下爆炸［2，3］更大。随着高精度制导反舰导弹的快速发展，大型舰船发生接触爆炸的机会大大增加，船体外板在接触爆炸载荷作用下发生破坏，大量高温气体和破片涌入舱内，对舰船结构造成二次打击。

目前的理论研究和试验研究［4，5］往往只针对简单板架结构，对于复杂的上层建筑研究尚少，且研究工况与实际相差甚远，采用的药量也是小药量，结构形式与实船相差甚远。本文在广泛调研的基础上，选取典型反舰武器作为空中接触爆炸攻击武器，对大型军辅船的上层结构进行建模，利用通用有限元程序LS-DYNA计算舰船空中接触爆炸冲击响应，为提高舰船抗空中接触爆炸性能提供了工程参考依据。

1 计算模型

1．1 实船模型

本文选取万吨级排水量的综合补给船作为研究对象，其总长约百米，吃水较大，属于大型水面舰。这里，基于工程图纸利用有限元软件ANSYS建立了该船的有限元模型，采用1∶1实体建模。设备等相关质量均采用质量点的形式布置在整船上，以保证整船的重量分布，建模效果如图1所示。

1．2 空气流场与炸药有限元模型

图1 大型军辅船有限元模型Fig 1 Finite element model of large-scale auxiliary military ship

在进行舰船空中爆炸数值模拟的过程中，空气流场网格划分的因素起到了关键的作用。为保证计算时间和计算精度本文采用渐进型网格流场如图2（a）所示，典型攻击武器选取“鱼叉”反舰导弹，其战斗部总重量约为222 kg，内装PBXC炸药99 kg，可通过文献［6］方法计算得出等效的TNT当量为200 kg，采用密集型网格划分形式，如图2（b）所示。

2 计算方法与参数设定

爆炸载荷与船体结构的耦合作用采用LS-DYNA中ALE方法计算，定义*ALE关键词实现对算法的控制，ALE算法先执行一个或几个Lagrange时步计算，此时单元网格随材料流动而产生变形，然后执行ALE时步计算。

接触爆炸的模拟涉及到炸药、空气及船体结构等多种物质材料，因此，合理地定义材料属性成为计算的关键之一。本文通过大量试算和对比，对相关参数的取值进行了总结，其中高能炸药模型采用LS-DYNA程序中MAT-HIGHEXPLOSIVE-BURN模型，状态方程采用JWL状态方程计算，它的具体形式为［7］

炸药参数如表1。

表1 炸药参数Tab 1 Parameters of explosive

其中，A，B，R1，R2和w均为实验数据拟合常数，E0为炸药初始内能。空气流场采用NULL材料模型，其相应参数分别为:密度ρ=1．292 kg/m3，通过JWL状态方程计算得到的载荷大小，加载到空气流场上的节点化为节点力，以LINEAR-POLY-NOMIAL状态方程加以描述。线性多项式状态方程为

式中pm为爆轰压力;E为单位体积内能;V为相对体积。当线性多项式用于空气模型时

船体材料采用PLASTIC-KINEMATIC模式，考虑应变率影响，采用Cowper-Symonds模型描述，应变率影响系数为

μ=1+（ε/C）1/p．

其中，ε为材料应变率，C，p分别为与应变率有关的参数，对于船体钢材C=40．5，p=5。在板架结构沿板架方向取4～5个高斯积分点以确保计算的准确度。

主船体船中区域的01甲板及其纵向构件，01甲板至1甲板间外板及其纵向构件材料采用屈服应力为315MPa的CCSD级钢材，船体其余材料采用屈服应力为235 MPa的CCSB级船用结构钢。

对于船用钢材，通常取有效塑性应变为 0．3，0．28，0．25等，偏于安全考虑，本文选取有效塑性应变为0．28，即若结构有效塑性应变大于0．28，则结构出现破口。

3 有效性验证

取样点选取表2所示不同距离验证其有效性。

表2 不同距离下自由场压力峰值经验值与数值计算值Tab 2 Empirical value and numerical calculation value of pressure peak in free field for different distance

从图中和表中可以看出:数值计算结果与误差控制在10%以内，符合接触爆炸毁伤条件，可以进行计算。

4 计算工况设定

5 毁伤效应分析

通过对设定的艏舯艉大量工况进行计算可得到分析用的计算数据，在评估大型军辅船在空爆载荷作用下的毁伤效应时，本文选取最为关注的破口大小和塑性应变区及影响区域作为研究对象。船艉工况毁伤效果应力云图如图4，破口尺寸如表3，塑性应变尺寸如表4，破口面积与应变区比如表5。

图3 爆炸工况示意图Fig 3 Schematic diagram of explosion condition

图4 船艉工况毁伤效果应力云图Fig 4 Stress nephogram of damage effect for stern condition

表3 破口尺寸（m）Tab 3 Crevasse dimension（m）

表4 塑性应变区尺寸（m）Tab 4 Plastic strain area dimension（m）

表5 破口面积与塑性应变区比值Tab 5 Ratio of crevasse and plastic strain area

总结船艉可以得出不同工况下的甲板影响层数和塑性应变区的范围。为了形象直观地反映破口大小和塑性影响区域，本文取炸药半径r作为参考对象，所得数据均以r的倍数来衡量。通过对船艉工况的计算表明，大型军辅船舰船艏部分上层建筑在200 kg炸药作用下的破损层数为2层，塑性应变的影响区域大约为3～5层甲板，破口区域沿X，Y方向的尺寸基本一致，与炸药最为接近的两层甲板的破口尺寸大约为（25～35）r，塑性变形区的尺寸沿X，Y方向的尺寸也基本一致，接近炸药的甲板塑性应变区尺寸大约为70r，炸药外两层甲板的塑性应变区尺寸大约为30r。船舯工况毁伤效果应力云图如图5，船舯毁伤的破口尺寸，塑性应变尺寸、破口面积与塑性应变区比分别如表6，表7，表8所示。

图5 船舯工况毁伤效果应力云图Fig 5 Stress nephogram of damage effect for midship condition

表6 破口尺寸（m）Tab 6 Crevasse dimension（m）

表7 塑性应变区尺寸（m）Tab 7 Plastic strain area dimension（m）

表8 破口面积与塑性应变区比值Tab 8 Ratio of crevasse and plastic strain area

通过对船舯工况的计算表明:船舯部分上层建筑在200 kg炸药作用下的破损层数为2层，塑性应变的影响区域大约为3层甲板，破口区域沿X，Y方向的尺寸基本一致，与炸药最为接近的两层甲板的破口尺寸大约为25～35r，塑性变形区的尺寸沿X，Y方向的尺寸也基本一致，接近炸药的甲板塑性应变区尺寸大约为70r，炸药外两层甲板的塑性应变区尺寸大约为30r，规律大致与船艉工况一致。

通过对船艏工况的计算表明，船艏上层建筑在200 kg炸药作用下的破损层数为4～5层，塑性应变的影响区域大约为5～6层甲板，破口区域沿X，Y方向的尺寸有较大差别，与炸药最为接近的两层甲板的平均破口尺寸大约为40～55r，塑性变形区的尺寸沿X，Y方向的尺寸也存在较大差别，接近炸药的甲板塑性应变区尺寸大约为60r，炸药外两层甲板的塑性应变区尺寸大约为50r，破口大小与塑性面积比较船舯和船艉工况大。船艏工况毁伤效果应力云图如图6，破口尺寸、塑性应变尺寸、破口面积与塑性应变区比值分别为如表9～表11。

图6 船艏工况毁伤效果应力云图Fig 6 Stress nephogram of damage effect for ship bow condition

通过对计算结果进行分析，可以看出:空爆载荷对舰船上层建筑结构的毁伤效应具有明显的局部性，船体上层建筑中与炸药最接近的甲板在空气冲击爆炸载荷作用发生冲塞作用，直接产生破口和大面积塑性变形，且塑性变形区域大致呈圆形;舱室角隅处和强力构件交接处存在明显的应力集中现象，从而成为空爆作用下舰船结构的薄弱环节;由于近炸药的甲板结构包括甲板板和梁结构在空气冲击波的作用下发生破损，吸收了大部分的能量，因而，距离爆源稍远的位置处未产生破损，结构响应以大面积塑性变形为主。

表9 破口尺寸（m）Tab 9 Crevasse dimension（m）

表10 塑性应变区尺寸（m）Tab 10 Plastic strain area dimension（m）

表11 破口面积与塑性应变区比值Tab 11 Ratio of crevasse and plastic strain area

由此可见，空中爆炸毁伤特性与水下爆炸完全不同，由于空气波衰减较快，因此，空中爆炸的毁伤效应往往只针对于一定范围内，对全船的影响较小。船舯和船艉工况毁伤效应基本一致，即距离爆源较近的甲板受损严重，破损影响区为两层甲板，第三层甲板则以大面积塑性变形区为主要的毁伤效应，且不同爆源处的毁伤效果有着较大区别，即局部效应更加明显，而船艏工况的毁伤效应则基本一致，大部分结构在空爆载荷作用下发生破损，毁伤面积很大，上层建筑基本遭到破坏，且沿船长部分的破口长度较船宽方向大，分析其原因，主要是由于船艏部分横向构件较为密集;艏部总体毁伤面积比其他2个工况要大，对比破口大小占塑性应变区的比例可知，船艏工况远远大于舯部和艉部工况，这与艏部的结构密集程度有着较大关系。