舰艇结构在水中兵器静态爆炸作用下的冲击响应

贾 则，权 琳，张姝红，杨绪升，高浩鹏

(中国人民解放军91439 部队，辽宁 大连116041)

0 引 言

船舶承受水下冲击波是一个非常复杂的非线性动态过程，不仅属于大变形，强非线性问题，而且还会涉及到流－固耦合的问题，所以很难采用复杂的解析方法来处理。虽然最直接的研究方式是实船水下爆炸冲击试验，但实船试验花费非常高昂，而且所得到的数据有局限性。因而，数值模拟逐步发展成最适合研究舰船抗冲击的方法。20 世纪90年代后期，随着计算机领域高速的发展，数值模拟和实验技术使水下爆炸研究产生突飞猛进的发展。国内吴有生院士等对水弹性有较深入的研究。对于冲击响应(短时问题)，尤其是爆炸冲击响应，多采用基于平面波假设的双渐近法(DAA)来处理结构体与水体的耦合，并应用于水面舰艇结构在冲击载荷作用下的动响应研究的实际中［1］。随后相继开发了一些大型商业有限元程序(如ABAQUS、LS－DYNA、DYTRAN 等)，其中不少程序，尤其是ABAQUS 取得了较为广泛的应用。在全船水下爆炸模拟方面，姚熊亮等运用ABAQUS 软件针对几种舰艇的模型进行了计算和分析，计算结果和实测结果的比对分析证明数值分析能满足实际工程的需要［2］。有限元分析软件ABAQUS 代表当今比较先进的爆炸力学计算程序，同时可以利用有限元程序丰富的前后处理功能，能够完整地再现水下爆炸冲击波传播的过程。本文以水面舰艇为研究对象，采用通用有限元软件ABAQUS，建立了舰船以及周围水域的有限元模型，并采用该有限元模型计算了400 kg TNT 当量装药水下爆炸，位于船中正下方5m 处爆炸导致的舰船冲击响应，得到了舰船主甲板、船底以及船壳体等部位结构加速度和速度响应时间历程曲线，得到的舰船冲击环境数值合理、规律较为准确，可以用于舰船上人员和设备的冲击防护设计。

1 水中兵器和舰船数值仿真模型的建立

1.1 水中兵器有限元模型的建立

运用商业建模软件Pro/E 建立水中兵器的几何模型，坐标原点为与距水中兵器首部0.4 m 处横剖面与水中兵器纵向中心线交点，Z 轴朝向武器首部。运用HYPERMESH 建模软件来构建武器有限元模型，模型的单元类型主要由梁单元和壳单元构成，图1 为本文构建的水中兵器模型。

图1 武器的有限元模型Fig.1 FEA model of underwater weapon

1.2 舰船和水域有限元模型的建立

采用HYPERMESH 建模软件完成舰船模型的构建，该舰船结构从上到下分别为罗经平台、驾驶平台、首楼甲板、主甲板、平台甲板和底舱。流场水域的类型为声学单元，单元总数约为400 000个六面体声学单元(AC3D8R)。流场水域一共可划分为3 部分，其中两端采用1 /4的球体、中间采用半个圆柱体的形状，而且球体和圆柱体半径是舰艇宽度的3 倍［3］。图2 为舰艇和水域的有限元模型。

图2 流场水域和舰艇的有限元模型Fig.2 FEA model of warship and water

2 舰艇在水中兵器作用下的冲击响应分析

2.1 舰艇遭受水中兵器静态爆炸作用的试验工况

水中兵器战斗部为400 kg的TNT 当量的装药，水中兵器静态放置于舰艇船中正下方5 m 处发生水下爆炸。本文运用ABAQUS/Explicit 模块来分析舰艇在水中兵器静态爆炸作用下的冲击响应，水中兵器的爆点在ABAQUS 软件中的相对坐标为(36，0，－5)，水中兵器静态爆炸试验工况如图3所示。

图3 水中兵器静态爆炸试验工况示意图Fig.3 Picture of operating condition of static explosion test for underwater weapon

ABAQUS的声－固耦合法在分析水下爆炸问题时会将流场作为声学介质，在其间使用“总波”公式或“散射波”公式。“散射波”公式首先假定流体线性，因而总压力可被分解为入射压力和散射压力2个部分，它不考虑流体的气穴过程;而“总波”公式假定流体是非线性，压力包括散射压力、入射压力和流体的气穴压力，并需要在流体节点上先设定初始的静水压力［4］，本文采用“总波”公式进行计算。

流－ 固耦合问题是水下爆炸的关键，ABAQUS 采用基于表面“Tie”约束，是基于线性动量守恒将流体的压力场和结构的位移场耦合起来的。在流体和结构的边界并不需网格一一对应，网格密度可以不一样，该程序会由“Tie”约束自动耦合运算［5－6］。本文中舰船结构与水域的接触方式采用声固耦合法，在ABAQUS 中通过关键字Tie 实现。水域边界采用无反射边界条件，以模拟无限水域。

2.2 水中兵器作用下水域中流场压力和舰艇应力响应分析

在瞬态动力学分析中，ABAQUS 会自动对整个声场冲击载荷数值大小进行初始化，这不仅节省运算时间，还为了防止在传播过程中冲击波的数值耗散或失真［4］，图4 中2 ms 流场压力云图即是自动根据冲击波载荷的数值大小对整个流场初始化的结果，可见图4 较准确地模拟出了声学场的压力云图。

水中兵器在舰艇底板中心处发生爆炸 (见图5)，水下爆炸冲击波首先会打到舰艇底板，随后逐步向舰首和舰尾2个方向传播，然后会在端部出现反射，这样重复几次，直到能量耗散完毕。武器爆炸发生在舰艇底板中心，冲击波第1个接触到舰艇底板，底板受冲击波的冲击作用，底板中心会先发生应变，并超出了钢板的屈服极限发生破口［7－9］(见图6)，然后应力会由底板中心向其他部位传递，并最终覆盖整个船体。在武器的静态爆炸攻击下，底板中心的应变和变形会远超过船体其他部位的，计算结果与理论计算结果较为相符，具有较高的可信度。

图4 2 ms 流场压力云图Fig.4 Pressure of flow field at 2 ms

图5 200 ms 舰体应力云图Fig.5 Stress nephogram of ship structure at 200 ms

图6 200 ms 舰艇局部破口图Fig.6 Local break picture of Ship bottom at 200 ms

2.3 舰艇在水中兵器作用下的加速度响应

本文计算了舰艇在水中兵器静态爆炸作用下的冲击响应，由于舰艇的冲击响应以垂向响应为主，因此本文以舰艇底板和主甲板的垂向加速度响应为研究对象，分析该舰艇结构的动态响应，数值模拟出了舰艇关键节点的垂向加速度时历曲线，如图7和图8所示。

图7 舰艇底板中心测点垂向加速度时历曲线Fig.7 Vertical acceleration history curve at center node of the base plate

图8 舰艇主甲板中心测点垂向加速度响应时历曲线Fig.8 Vertical acceleration history curve at center node of the main deck

从图7的时历曲线可看出，水下爆炸压力包含了冲击波超压和气泡脉动，还包括和结构相互耦合作用的气穴效应。通过比对图7和图8 中测点加速度响应的时历曲线可知，在爆源基本位于船体中部的条件下，船底板中部测点的加速度峰值要远远大于主甲板中部测点的加速度峰值;由于主甲板中部测点与爆炸源点距离较远，垂向加速度峰值相对较小。

从图7和图8 可知，沿舰艇高度方向测点的分布情况，从计算获得的加速度曲线可以看出位于舰艇底板的测点加速度值较大，舰艇主甲板的测点加速度辐值明显减小。因此，当舰艇遭受水中兵器攻击作用时，舰艇底板和底层甲板抵消了大部分的冲击载荷，有效的保护了上层甲板和舱室中设备和人员的安全。

3 结 语

运用有限元程序ABAQUS 实现了近场非接触水下爆炸的数值模拟研究，对某型舰船受水中兵器静态爆炸试验工况下的冲击响应进行了数值计算，成功解决了流－固耦合、单元破损和失效等关键问题，并详细给出了在水中兵器静态爆炸试验工况下的舰船冲击响应结果，分析了水域流场压力、舰船应力响应和加速度响应的特征。数值计算结果与理论计算情况基本相符，为水中兵器静态爆炸试验和舰艇抗爆结构设计提供有力的依据。

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