小水线面双体船抗冲击特性数值研究

高 峰 况 贶

（1.海军装备部 北京100841；2.海军驻上海沪东中华造船(集团)有限公司军代表室 上海 200129）

引 言

小水线面双体船（SWATH船）是一型高科技、高附加值、高性能船舶。其与单体船、常规双体船截然不同，具有以下性能特点：

（1）最大优点是耐波性好。一艘设计合理的SWATH船，其耐波性与3～10倍的排水量常规单体船相当。

（2）甲板面宽敞，作业空间大，设备与舱室易于布置。一艘200 吨级SWATH船的甲板面积与500 吨级常规船大体上相当。

（3）安静性佳。推进主机可置于上体平台中，采用多层隔振降噪措施及电力推进方式控制水下潜体自噪声与辐射噪声。

（4）操纵灵活，其低速回转性能好。特有的两个细长片体保证了良好的航向稳定性。

（5）设计研制小水线面双体船难度较大，要发挥其优良的耐波性能必须在设计中进行综合优化。此外，吃水相对较深，特别是吃水随载重量变化敏感，因此需考虑压载与平衡措施，且船体结构占总质量的比例较相同排水量的单体船略高［1］。

基于一系列显著优点，小水线面双体船型日益受到造船强国的重视，得到了快速发展，在港监引水、海上运输、游艇观光、海洋调查等民用领域已有较多应用。同时，各海军强国对小水线面双体船在水下监测、反水雷战、海上巡逻等军事领域也开展了诸多研究和实践，已有数型船在美、日、德等国海军中服役。1986年，美国海军订购了4艘“胜利”级水声监测船，采用了小水线面双体船型，排水量2 677 t；1998年，美国又建成采用该船型的“无暇”号水声监测船，排水量达到5 370 t，是目前排水量最大的军用小水线面双体船；1990年，日本仿照美国的“胜利”级，建造了2艘“响”级水声监测船，该船与“胜利”级性能基本相似，排水量2 850 t；德国2005年服役的“行星”号水下武器电子系统试验船，排水量约3 500 t，主要用于海军水下武器、水中电子系统的试验研究和开发，集中了大型小水线面双体船技术，减振、降噪安静环境控制技术，以及水下武器和电子系统试验技术，性能十分先进［2-3］。

各海军强国还在挖掘小水线面双体船型在军事领域应用的更大潜力，将来甚至可能开发相应的作战舰艇船型，那么此船型的抗冲击能力就必须考虑。因此本文对小水线面双体船的抗冲击特性进行了数值研究，分析了船体结构的抗冲击能力及全船冲击环境特点，为该船型的军事应用提供一些技术积累。

1 结构抗冲击特性数值研究

本文研究对象为某小水线面双体船，采用ABAQUS非线性有限元软件中的声固耦合方法进行计算分析［4-6］。

1.1 计算模型

建立全船有限元模型及水域有限元模型进行耦合，水域宽度为船宽6倍，如图1所示。

图1 耦合有限元模型

水下爆炸计算中材料的动态应变率特性必须考虑，本船船体材料为某低磁钢，其应变率影响系数采用Cowper and Symonds模型描述：

式中：σY是动态应力值，是应变率。

测得该低磁钢的屈服极限σs=341 MPa，杨氏模量E=1.81×105MPa ，D=79 000，P=5。

计算工况设置为：爆点位于船中左舷，冲击因子分别取龙骨冲击因子C为0.2以及壳板冲击因子C为0.5、0.6、0.7共4种情况，爆点如图2、图3所示。

图2 龙骨冲击因子工况爆点定位示意图

图3 板壳冲击因子工况爆点定位示意图

1.2 结构抗冲击能力分析

在上述四种爆炸工况下，考核水线下左右舷结构的塑性应变，计算结果见表1、表2和图4、图5。可见，随着冲击因子变大，各考核部位结构的塑性应变相应变大。

表1 外板塑性应变值

表2 强力构件塑性应变值

图4 各考核部位外板塑性应变对比

图5 各考核部位强力构件塑性应变对比

小水线面双体船与常规单体船相比，在船型上有很大差别。水线下包含左右舷两个潜体及部分支柱体结构，水下爆炸载荷会作用其上，且左右舷两个潜体及支柱体均有各自的迎爆面和背爆面。由于爆点在左舷，因此左舷结构的塑性应变值大于右舷结构，但右舷结构的塑性应变并非小值，无论左右舷结构迎爆面的塑性应变均大于背爆面。因此，在评估小水线面双体船的抗冲击能力时，与单体船类似，可以选取近爆点一侧结构的迎爆面为重点研究对象。

由图4可见，从不同部位的塑性应变来看，支柱体外板的塑性应变明显大于潜体外板，原因是支柱体比较扁瘦，尤其首尾端更为尖瘦，考虑到施工问题在首尾端支柱体外板上的加强结构有限，因此该区域外板的塑性应变较大。由图4、图5可见，强力构件的塑性应变明显大于外板的塑性应变，说明爆炸载荷主要由强力构件承担。因为距爆点最近，左舷潜体舷侧迎爆面和底部的塑性应变最大、吸收的能量最多，这与单体船相似。

由图5可见，潜体强力构件的塑性应变大于支柱体强力构件。发生塑性应变的具体部位集中在潜体舭部、潜体支柱体相交处等结构形状突变处，见图6。小水线面双体船常规设计时，结构形状突变处的节点设计特别重要，若要考虑抗冲击问题，那么这些节点设计更需要加强和优化。

图6 潜体、支柱体内部强力构件塑性应变云图

2 冲击环境特性数值研究

小水线面双体船水线以上的主船体甲板宽大，水线以下的潜体和支柱体空间较小，除推进电机、轴系及相应的泵等设备布置在潜体中，其余设备均布置于水线以上的各层甲板上，这与常规单体船有较大差别。因此分析小水线面双体船的冲击环境特性，对船上设备布置及人员战位等具有重要意义。

2.1 计算模型

采用ABAQUS非线性有限元软件中的声固耦合方法进行计算分析，将船体模型与流场耦合后进行计算，对水下非接触爆炸作用下小水线面双体船的冲击环境进行数值预报。计算模型同1.1节，同样也考虑材料的动态应变率。

设备与船体间的连接由弹簧模拟，各设备的安装频率简化为：刚性安装采用50 Hz的安装频率，弹性安装采用10 Hz的安装频率。弹簧的刚度可依据下列公式计算得出，其中m为设备质量，f为安装频率，k为弹簧刚度。

计算工况设置为：爆点位于船中左舷，龙骨冲击因子C= 0.2。

2.2 冲击环境特性分析

水面舰船冲击环境中一般垂向冲击环境明显高于其他两个方向，因此在以下的冲击环境分析中，取垂向谱值进行分析。小水线面双体船拥有两套动力系统，一般左右两舷对称布置，两套动力系统设备的冲击环境见表3。由于爆点位于左舷，所以左舷设备谱值均大于右舷设备谱值。近爆点一侧的冲击环境更为恶劣，因此在设计前期设备的抗冲击设计谱值取近爆点一侧的计算数据。但另一侧的冲击环境也并不弱，所以在设计后期需对全船冲击环境进行分析校核。

表3 左右舷动力系统设备谱值对照表（垂向）

为分析全船的冲击环境，本文研究了冲击环境沿船长、船宽、型深的变化规律。

船长方向上，船长计为L，在主甲板沿船长方向以船首为原点取10个测点，距船首0.29L处为初始测点位置，距船首0.98L处为截止测点位置。数值分析结果如图7所示，船长方向上谱位移、谱速度、谱加速度在船首处最大，在船中位置处谱值较小，往船尾方向再增大。

图7 谱值沿船长方向变化示意图

船宽方向上，船宽计为B，在船宽方向以左舷边为原点取11个测点，所有测点位于主甲板且同一横剖面上。数值分析结果如图8所示，沿船宽方向左舷谱值较右舷谱值大，这是由于爆点位于左舷。在距左舷侧0.1B～0.2B、0.8B～0.9B距离处谱值较大，这是由于此两处为主船体与支柱体连接部位，水线下结构受到的冲击载荷经此由支柱体传递至水线上主船体，因此船宽方向上此两处的冲击环境最大。

图8 谱值沿船宽方向变化示意图

型深方向上，型深计为H，在型深方向取13个测点，所取测点位于同一横剖面上，从距潜体底部基线0.16H处为初始测点位置，距潜体底部基线0.43H处为截止测点位置。数值分析结果如图9所示，距潜体底部0.2H～0.22H处的谱位移、谱速度、谱加速度均较大，该位置是潜体结构与支柱体连接部分的结构突变区；距潜体底部0.4H～0.43H处谱值也很大，该位置是支柱体与主船体舷台连接区域，也是结构突变区。这说明水下爆炸载荷由下往上在船体结构中传递时，在结构突变区会引起较大的谱值。

图9 谱值沿型深方向变化示意图

3 结 论

在各类高性能船舶中，小水线面双体船是建造使用数量较多的一型。本文分析其船型特点及其在军事领域的实际应用。然后采用ABAQUS软件数值计算水下非接触爆炸作用下某小水线面双体船的结构变形和冲击环境，分析此船型结构抗冲击特性和全船冲击环境特点，获得以下主要结论：

（1）小水线面双体船具有耐波性好、甲板作业面积大、安静性佳、操纵性好等优点，在水声监测、综合试验、海岸巡逻等军事领域已有应用，并具备向作战舰艇发展的潜力。

（2）对小水线面双体船结构进行抗冲击计算时，可以与单体船类似，以近爆点一侧结构的迎爆面为重点研究对象，但相距爆点较远一舷结构的变形并非小值。

（3）小水线面双体船的外形复杂具有许多突变处，如潜体舭部、潜体与支柱体相交处、支柱体首尾部等。常规设计时，这些结构形状突变处的节点设计已非常重要，若考虑到抗冲击情况下时，这些节点设计更需进一步加强和优化。

（4）小水线面双体船首尾处、支柱体与主船体舷台连接处以及支柱体与潜体连接处的冲击环境较大，在这些结构突变处附近安装设备需要特别考虑或者避免在这些部位安装设备。

（5）水线以上主船体范围内，与支柱体连接区域的冲击环境相对较大。这里是冲击能量由水中潜体、支柱体向主船体传递的通道，设计时应当注重该区域设备的抗冲击设计。

［1］ 林伟国，朱云翔，范井峰.小水线面双体船的发展及在海军舰船领域中的应用前景［J］.船舶，2007（3）：1-5.

［2］ 史文强，于宪钊.国外小水线面双体船发展状况及趋势［J］.舰船科学技术，2012（S2）：4-19.

［3］ 钟凯，张培元，郑明.德国小水线面双体船的军民应用和飞跃发展［J］.舰船科学技术，2012（S2）.

［4］ 岳永威，王超.军用双体船抗冲击特性数值研究［J］.中国舰船研究，2012（1）：29-34.

［5］ GEERS T L，HUNTER K S．An integrated wave-effects model for an underwater explosion bubble［J］．Journal of the Acoustical Society of America，2002 （ 4 ）：1584-1601．

［6］ 张振华，朱锡，冯刚．船舶在远场水下爆炸载荷作用下动态响应的数值计算方法［J］.中国造船，2003（4）：36-42.