水下爆炸作用下中型浮动冲击平台毁伤特性研究

周学滨 张永坤

（91439部队 大连 116041）

1 引言

冲击是指一个系统在相当短的时间内，受到瞬态激励，其位移、速度或加速度突然发生变化的物理现象。在冲击激振力作用下，系统所产生的运动为瞬态运动，而当激振力作用停止后，系统将按其自身固有频率作自由振动。舰船设备的冲击环境主要表现为设备基础所经受的冲击加速度、冲击速度和位移，是设备抗冲击研究的基础。研究大中型舰船设备的冲击环境方法有两种：实船抗冲击试验和冲击平台试验。由于实船试验的组织实施难度大，费用高，因此多采用浮动冲击平台水下爆炸试验方法，通常需要选择中型浮动冲击平台作为载体［1～2］。借助浮动冲击平台进行舰船设备抗冲击性能考核，国内作了很多研究［3～8］。考核过程中，浮动冲击平台主要作用是为安装于其内部的舰船设备提供符合要求的冲击环境，研究中型浮动冲击平台的冲击环境对于建设一型标准平台，为设备考核提供更加真实的模拟实船环境，具有重要的意义。

文中选取一型标准浮动冲击平台为计算对象，采用Abaqus软件，对其标准工况下的冲击环境及毁伤参数进行计算，分析了不同爆炸距离、不同爆炸攻角、不同冲击因子作用下的冲击环境参数的变化规律，将毁伤量值与理论分析算法进行比对，冲击环境结果与BV043/85标准规定的算法进行比对，对爆炸作用下标准浮动冲击平台的毁伤程度及冲击环境进行了分析研究。

2 仿真计算过程

将中型浮动冲击平台置于MIL-S-901D中的标准工况下进行数值计算，检查塑性形变的大小以考核平台的强度。加载时使用Geer and hunter模型计算压力载荷［9～10］。

2.1 仿真方法验证

结合某实船爆炸数据，对仿真方法进行了验证［11］。计算工况为1000kg TNT爆源距左舷70m，水深50m沉底爆炸，龙骨冲击因子为0.337。根据试验时测点的实际情况选取进行比对的测点位置，分别选择了3个应变测点和3个加速度测点。测点具体位置分别为01甲板55#肋位迎爆面中纵桁纵向应变测点、主甲板25#肋位迎爆面纵桁纵向应变测点、内底45#肋位迎爆面第一扶强材边中间根部板格应变测点、01甲板27#肋位舰长室垂向加速度测点、主甲板76#肋位垂向加速度测点、内底47#肋位垂向加速度测点。对比结果见表1～2。

表1 应变峰值对比

表2 加速度峰值对比

通过对峰值的相对误差计算，得出应变峰值平均精度77.48%，加速度峰值平均精度77.52%，平均相对误差均在30%以内，计算精度符合工程要求。

2.2 仿真计算对象

仿真计算对象模型如图1所示。

2.3 仿真工况设计

为能够较全面地分析平台的工况，设置了80个工况进行计算。设置方法如下：

1）选取4个平面。这4个平台为x=6.5，x=3.25，x=0，及y=3.25，4个平面位置在下文中简称1号位置、2号位置、3号位置、4号位置，如图2（a）。

图1 中型浮动冲击平台数值模型

2）在各平面内选取4个扇形区域。以美国MIL-S-901D为基础，参考4.1，3.1中4个工况选取4个冲击因子，分别为C1＝0.51，C2＝0.63，C3＝0.73，C4＝0.86，对应 爆 距为 R1＝14.39m，R2＝11.61m，R3＝10.01m，R4＝8.51m。以坐标原点为圆心，以上述4个爆距为半径，作4个扇形区域如图2（b）。

图2 工况设置示意图

3）作5条射线。在各扇形内分别取α1＝0°，α2＝30°，α3＝45°，α4＝60°，α5＝90°的5种攻角（图中只标出α2＝30°），作5条射线，如图2（b）。

4）设置爆源位置。在各平面内的90°扇形内各有20个交点，共4个平面位置，则共有80个交点。将爆源分别放在这80个交点上，就获得80个不同的爆炸工况。

2.4 测点选取

浮动冲击平台内底是待测设备的主要安装基础，其冲击环境即为设备（或基座）的冲击输入。本文在平台内底中央选择36个点作为测点，这些点所占的面积接近1m2，并在平台上建立平面直角坐标系，如图3，原点位于图中平台外底左下角。

图3 平台内底测点的选取

2.5 仿真计算结果

2.5.1 平台抗冲击强度计算结果

按2.3所设的工况，对中型浮动冲击平台结构模型在Abaqus中进行仿真计算。根据结构毁伤特征，冲击因子最大，所受到的冲击也最为强烈，因此若平台在该工况下强度满足要求，可正常工作，即可认为为该平台的结构强度满足设计要求。图4为工况4下（冲击因子为0.86）的平台受冲击后的位移云图，从该图上可以看出：轻质舷墙的顶部为平台发生最大形变的区域，形变最大的位置为迎爆面的两个顶角。各工况下平台最大变形情况如表3所示。

图4 中型浮动冲击平台在工况4时的横向位移云图

表3 平台最大变形随冲击因子变化关系

由表3中可知，四种冲击因子（0.51，0.63，0.73，0.86）状况下，底部中间的最大变形量值分别为0.026cm，0.04cm，0.056cm，0.075cm。

2.5.2 冲击环境计算结果

对冲击平台在上述共计80个工况下进行仿真计算后，得到各测点处的冲击环境参数，给出将每个工况各测点的冲击环境相同参数进行平均处理。为了消除位置参数的影响，选择最危险的截面对冲击响应特征进行分析，给出1号位置x=6.5m处的冲击参数，如表4所示。

3 计算结果比对分析

3.1 冲击环境特征分析

毁伤的量值在2.5.1的计算结果中已经给出，此处根据表4冲击环境的计算结果对冲击环境的特征进行分析，重点说明不同攻角情况下的变化特征。比较表4的数据可知，0°攻角，冲击因子增加，谱位移增大，谱速度增大，谱加速度增大；30°攻角，冲击因子增加，谱位移增大，谱速度增大，谱加速度增大；45°攻角，冲击因子增加，谱位移增大，谱速度增大，谱加速度增大；60°攻角，冲击因子增加，谱加速度增大；谱位移和谱速度在0.73出现最大值；90°攻角，冲击因子增加，谱位移减小，谱速度和谱加速度变化不规律。

表4 x=6.5m位置处各工况的冲击环境参数

可总结为冲击因子相同情况下，冲击加速度随攻角增加而增大，在90°时达到最大值；冲击因子相同情况下，冲击速度及谱位移随攻角变化不规律，需要综合冲击因子量值及攻角情况综合考虑。

3.2 BV043/85规范计算

当设备实际重量大于5t时，需考虑其受冲击时对所处环境产生的反作用，必需对冲击谱载荷进行折减计算，折减仅针对谱加速度和谱速度，谱位移不用折减。对于100t设备的部分冲击环境参数［11］，如表5所示。

表5 折减后BV043/85规范中的部分冲击环境参数

说明：I区为船壳基座和主甲板以下隔舱壁；II区为下甲板和主甲板隔壁；III区为上层建筑。

3.3 毁伤等级理论计算

采用文献中的理论计算方法［12］对平台的毁伤等级进行计算。水中爆炸造成的毁伤一般分为四级，见表6。

表6 毁伤的四个级别

毁伤因子和毁伤等级的关系曲线，如表7所示，表7中的毁伤等级与表6中毁伤等级相对应，五级毁伤可当作无毁伤或弹性变形状态。

表7 水面舰艇的毁伤等级划分

表8 浮动冲击平台毁伤因子

由表8计算结果可知，浮动冲击平台的毁伤因子在设计工况下的量值为0.029～0.049，对应于水面舰艇毁伤等级为五级；对应表6可知，中型浮动冲击平台为无毁伤或弹性变形状态。

4 计算结果比对

4.1 毁伤因子比对分析

将表3仿真计算结果以及表8理论计算结果进行比较，结果如表9所示。

由表可知，仿真计算与理论预报计算的仿真因子的误差最大为3.48%，在工程许可范围内。证明了仿真计算方法可行。

4.2 冲击环境计算结果比较

比对表4中的仿真计算结果以及表5中的BV043/85标准预估结果，可以得到：

1）取冲击加速度参数进行分析，对于重量小于5t的设备，中型浮动冲击平台垂向谱加速度为320g，冲击加速度环境基本满足使用要求，只是在垂直90°，冲击因子为0.86工况下，冲击加速度值偏大，试验实施过程中应该采取一定的防护措施。

2）取冲击速度参数进行分析，对于重量小于5t的设备，中型浮动冲击平台谱垂向速度为7m/s，选取冲击速度的情况下，各种工况均满足要求。

由于大多数情况都是以冲击速度值作为判据，在此对载重量为100t情况下的冲击速度进行分析，由表可中折减后的谱速度为2.11m/s，只有在角度很小的情况下满足使用要求。仿真计算结果中最大的速度为4.44m/s，假定该值为折减后谱速度，根据折减公式可反推出此种冲击环境下平台的最大载重约为15.6t，此时最大载重量下降主要是由于爆源位置变化到平台下方所致。

5 结语

通过本文研究，得到一些有意义的结论：

1）中型浮动冲击平台在标准工况下的毁伤等级为五级，可以看作为无毁伤或弹性变形状态。

2）采用仿真计算及理论分析方法对毁伤因子的量值进行计算并比对，两种计算方法最大误差在工程误差范围之内，结果比较吻合。

3）对平台底部冲击环境进行计算分析，冲击加速度随攻角增加而增大，在90°时达到最大值；冲击因子相同情况下，冲击速度及谱位移随攻角变化不规律。

4）将仿真计算的冲击环境数值与BV043/85标准量值进行比对，探索了中型浮动冲击平台可承载设备的量值。平台在进行正式试验时其爆源布放位置对试验结果将有较大影响，应严格按标准工况实施。