水下爆炸双体船隔振性能数值仿真与试验研究水域

李　琛，宗　智，王文冠

(1. 91439部队，辽宁 大连　116041；

2.大连理工大学 船舶工程学院、工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连　116041)



水下爆炸双体船隔振性能数值仿真与试验研究水域

李琛1，宗智2，王文冠2

(1. 91439部队，辽宁 大连116041；

2.大连理工大学 船舶工程学院、工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连116041)

摘要：为了检验水下爆炸载荷作用下某双体船隔振系统设计的合理性，建立了双体船有限元模型，运用大型有限元分析软件ABAQUS，对安装隔振系统后双体船结构在爆炸载荷作用下的冲击响应进行了仿真，采用流固耦合方法考虑空化效应和材料应变率的影响，预估双体船隔振性能。仿真结果表明，双体船经隔振设计后，在水下爆炸载荷作用下，船体底部的塑性变形显著减小，船体的垂向加速度峰值衰减率超过95%。经海上爆炸试验验证，数值仿真结果与试验值吻合良好，双体船隔振系统设计合理。

关键词：双体船;水下非接触爆炸; ABAQUS;隔振系统;隔振性能;数值仿真

Citation format:LI Chen, ZONG Zhi, WANG Wen-guan.Numerical Simulations and Tests Investigation in UNDEX on Isolation Performance of Catamaran[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):31-34.

尽管远场非接触水下爆炸对船体结构不造成任何损伤，但是却可能造成舰载设备损伤。由于水下爆炸在船体结构上产生相当于几千个重力加速度的冲击，一般的仪器设备难以抵抗，造成损伤。因此，舰载设备一般要使用隔振系统[1,2]。

关于工业中的冲击隔振系统设计，已经有成熟的方法[3]；其关键是将载荷简化为半正弦曲线，通过选取合适的弹簧系数，达到隔振的效果。由于水下爆炸载荷响应曲线复杂，无论是冲击载荷，还是基座的响应不能简单地使用半正弦曲线拟合，因此，目前工业中通用的隔振系统设计方法不适合于舰载设备抗水下爆炸隔振设计。

为合理设计水下爆炸载荷作用下某双体船隔振系统，本研究提出数值仿真(本文使用ABAQUS软件的水下爆炸模块[4])与实爆试验相结合的方法，即通过对安装隔振系统后双体船结构在爆炸载荷作用下的冲击响应进行数值仿真，预估双体船隔振性能，再通过水下爆炸试验，进行了数值-试验对比。

1问题描述

双体船主要由双体结构钢质船体、隔振系统和辅助配套装置等组成。双体船隔振性能指标为垂向冲击加速度峰值衰减率不低于95%。为满足该双体船隔振性能要求，设计了由钢制试验平台和布置在双体船甲板上的隔振器组成的隔振系统，试验平台面积为2.0 m×1.5 m、质量为1 000 kg，试验平台由8个隔振器与双体船甲板相连。

首先，对于没有隔振系统的双体船进行数值水下爆炸预报。根据船体的加速度响应，初步确定了隔振器3个方向刚度为0.1 kN/mm。采用大型有限元软件ABAQUS，对安装隔振系统后双体船船体及试验平台在水下爆炸冲击作用下的冲击响应进行数值模拟，通过模拟结果判断双体船船体的垂向加速度峰值衰减率是否满足设计要求，从而检验隔振系统设计的合理性。

2仿真模型建立

现代计算机技术和计算力学的发展，为水下爆炸数值模拟方法[5-9]的研究提供了很好的解决途径。数值仿真技术在水下爆炸载荷作用下的结构动态响应实际上是流-固耦合问题，而声-固耦合法是处理上述问题行之有效的方法之一[4]。本文采用ABAQUS内嵌的声-固耦合方法，采用一种声学介质来描述流体，冲击波在声学单元中传播。

2.1有限元模型

利用 Pro/E 软件建立某型舰的几何模型(图1)。坐标原点为基平面与中纵剖面和 FR0 剖面的交点，X轴指向船首，Y轴指向左舷，Z轴竖直向上。双体船模型由HyperMesh建立(图2)，导入ABAQUS后进行有限元分析计算。船体外板和水密舱壁网格由0.1×0.1四边形网格划分，其中最小网格边长0.016，最大网格边长0.17。外板和水密舱壁总单元数为17 244个，其中四边形单元16 727个，三角形单元517个。船体梁由0.1线网格划分，线单元8 106个。水域半径取船体半宽(型宽一半)的6倍[10]12 m，水域中间为长13 m，半径12 m的半圆柱，两边为半径12 m的四分之一球。将流场底面边界设为无反射边界[10],水域由内到外网格大小依次为0.1,0.2,0.4,0.8，单元总数为1 704 116，单元类型为声学四面体单元。

图1　模型整体

图2　双体船外板模型

2.2材料属性

在有限元网格实体模型建立的基础上，对模型添加材料属性及约束条件。双体船材料选用Q235钢，密度为7.85×103kg/m3，杨氏模量为2.1×1011N/m，泊松比为0.3，塑性属性中屈服应力为2.35×108Pa时塑性应变为0；屈服应力为3.5×108Pa时塑性应变为0.15。水域密度1 000 kg/m3，声学介质2.140 9×109Pa。

2.3计算工况

在仿真模型建立的基础上，提交ABAQUS软件求解器进行计算，计算工况如表1所示。

表1　数值仿真工况

通过隔振器船上节点和平台节点输出的垂向加速度峰值，计算衰减率，检验隔振系统的隔振效果。隔振器布置如图3所示。

图3　隔振器布置

3仿真试验结果

3.1隔振前后垂向加速度对比

冲击造成的船体冲击响应，在船体的各个部位是不同的，对于双体船来说，垂向加速度是主要的。两种工况下隔振前后垂向加速度数值计算结果如图4所示。

图4　隔振前后垂向加速度数值计算结果

两种工况下隔振前后垂向加速度峰值数值及衰减率如表2所示。

表2　隔振前后垂向加速度峰值及衰减率

3.2隔振前后垂向加速度响应

图5(a)～图5(d)所示为两种工况下6号隔振器双体船隔振前后垂向加速度时程曲线(图中加速度单位为m·s-2)，可以看出经隔振器隔振后，双体船平台上垂向加速度有很大衰减。

图5　隔振前后垂向加速度响应

3.3仿真试验结论

从仿真计算结果可以得出如下结论：

1) 工况一双体船甲板最大加速度2.09×104m/s2，试验平台最大加速度59.4 m/s2，达到了99%衰减率的隔振效果。工况二双体船甲板最大加速度2.31×104m/s2，试验平台最大加速度65.2 m/s2，达到了99%衰减率的隔振效果。

2) 双体船船体冲击响应通过设计安装的隔振系统能够大幅衰减，特别是加速度峰值的衰减率达到99%，满足隔振系统的设计要求，能够保证测量设备的冲击安全。

4试验验证及分析

4.1水下爆炸试验

为验证数值仿真模型建立的准确性和隔振系统设计的科学性，按照仿真试验中隔振系统设计方案进行隔振器的选型、安装布置以及与试验平台的连接方式。水下爆炸试验工况如表3所示。

表3　试验工况

在迎爆面左右2个隔振器基础及对应的试验平台顶部位置、背爆面右侧隔振器基础及对应的试验平台顶部位置共布设6个测点，每个测点测量垂向、纵向、横向3个方向的加速度数据。测点布设如图6所示，测点A1对应仿真计算中1号隔振器，测点A3对应仿真计算中6号隔振器。

图6　测点布设

测点A1在两种工况下的加速度时程曲线如图7(a)、图7(b)所示。

图7　隔振前后垂向加速度时程曲线

4.2试验结果与计算结果对比

海上实爆试验结果与仿真试验结果对比如表4所示。

从表4数据中可以看出，数值计算的结果和实爆试验结果吻合良好，说明有限元模型建立准确，隔振器选型、布置方式及隔振系统设计合理，对双体船上测量设备能够进行一定的冲击防护作用。

表4　实爆试验与仿真试验结果对比

5结束语

本研究通过对安装隔振系统后双体船船体及试验平台在水下爆炸作用下的冲击响应进行数值仿真计算，得出以下结论：

1) 采用有限元软件ABAQUS及内嵌的声-固耦合方法计算水下爆炸冲击作用下双体船的冲击响应，数值计算结果与试验值吻合良好，计算误差在工程接受的范围内；声-固耦合方法可以准确地模拟双体船在水下非接触爆炸作用下的动态响应；

2) 由钢制试验平台和布置在双体船甲板上的隔振器组成的隔振系统设计合理，隔振器选型、布置方式及与试验平台连接方式正确，双体船船体垂向加速度衰减率满足设计研制要求。

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(责任编辑周江川)

Numerical Simulations and Tests Investigation in UNDEX on Isolation Performance of Catamaran

LI Chen1, ZONG Zhi2, WANG Wen-guan2

(1.The No. 91439thTroop of PLA, Dalian 116041, China; 2.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, School of Naval Architecture, Dalian University of Technology, Dalian 116041, China)

Abstract:In order to test the design rationality of a catamaran vibration isolation system in UNDEX, the catamaran finite element model was established. And using the large finite element analysis software ABAQUS, we simulated the impulsion response of the catamaran structure subjected to the explosion loading after setting up vibration system, and we predicted the vibration isolation performance of catamaran by adopting fluid solid coupling method with considering the influence of cavitation effects and material strain rate strengthen effect. Simulation results show that the plastic deformation of hull bottom is significantly reduced and vertical acceleration peak decrement of hull is above 95% via the vibration isolation design of catamaran structure in UNDEX. The result of offshore explosion test verifies that the coincidence numerical simulations with test value is good and the catamaran vibration system design is rational.

Key words:catamaran; non-contact underwater explosion; ABAQUS; vibration system; vibration performance; numerical simulation

文章编号：1006-0707(2016)03-0031-05

中图分类号：U661.4

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.008

作者简介：李琛(1972—)，女，硕士，高级工程师，主要从事水下爆炸测量与数值仿真研究。

基金项目：国家重点基础研究发展计划(2013cb036101)；国家自然科学基金面上项目(510279030)

收稿日期：2015-10-18；修回日期：2015-10-29

本文引用格式：李琛，宗智，王文冠.水下爆炸双体船隔振性能数值仿真与试验研究水域[J].兵器装备工程学报，2016(3):31-34.

【装备理论与装备技术】