舰船水密门设备抗冲击性能对比研究∗

刘文思 王 鑫

（91439部队 大连 116041）

1 引言

设备按其对舰船作战和安全的重要性不同，抗冲击等级分为A级和B级。其中B级设备是指对舰船连续作战和安全不是必需的设备［1］。这种设备应能承受冲击而不引起设备或设备外部结构脱开或产生任何危害，安装在同一缓冲平台上的所有设备均应计算位移量，保证系统设备与船体结构及其之间不会发生碰撞。

设备的抗冲击设计经历了静态等效法、动力设计分析方法和实时模拟法3个阶段［2～3］，由于前两种方法在考核设备的高频破坏和非线性破坏时的局限性，目前实时模拟法已逐渐成为发展的趋势，因此采用实时模拟法分析水下爆炸冲击作用下水密门设备响应，参考前联邦德国国防军舰建造规范BV043/85中不同安装部位采用的冲击环境数据，将冲击反应谱转换到正负三角波载荷，实现从频域到时域上的转化，加载该载荷考核舰船设备抗冲击性能。

2 水密门设备三维模型建立

对水密门图纸进行结构强度分析，不难发现主要承载结构为冲击直接作用的门板，易损结构为承担门板与舱壁联接的夹头构件，其他杆件不直接遭受载荷作用，且结构强度大于夹头构件，由于过于细小的连接零部件会影响计算效率，故只考虑门板及夹头联接构件，根据门板后是否设置板架加强结构分为两种水密门设计结构，分别对设置板架加强结构和无板架加强结构的水密门建立简化三维模型。

3 水密门设备有限元建模

3.1 门板

采用壳单元建立门板有限元模型，尺寸为2.197m×1.676m，四周圆角过渡R=0.2m。

3.2 夹头构件

夹头构件起到连接紧固水密门门板与刚性舱壁的作用，在水密门设备中属连接构件，对结构强度的初步分析判断其为易损结构，在水密门设备抗冲击分析中应予以研究。

3.3 板架加强结构

板架加强结构附着于门板背面，采用T型壳单元建模，厚度为8×10-3m，中心部分高度0.1m，四周边缘高度0.05m，之间为线性过渡处理，板架加强结构与门板共同组成水密门主体，起到连接紧固水密门门板的作用，在水密门结构中属加强构件。

3.4 刚性舱壁

舱壁结构是水密门设备的安装及支撑主体，所以可将水密门连接固定的舱壁简化为刚体墙处理，认为舱壁结构在设计冲击载荷作用下保持刚性固定不发生变形。

3.5 材料

水密门材料选取刚塑性材料模型，密度7800kg/m3，弹性模量 2.1×1011Pa，泊松比 0.3，板厚8×10-3m。同时考虑应变率强化效应，采用Cowp⁃er-Symonds强化模型：

式中σy，σ0分别表示动、静态屈服应力。

3.6 边界条件

由于舱壁结构简化为刚性舱壁，因此在刚性舱壁出添加固支边界条件；水密门门板与夹头构件通过螺栓连接，由于简化去掉其他杆件结构，且冲击载荷作用为瞬态载荷，计算中将螺栓连接简化为点焊连接处理；水密门门板、夹头构件与刚性舱壁之间设置接触约束条件。

4 抗冲击计算

对水密门设备有限元整体模型进行前处理，利用 ls-dyna显式动力学分析程序进行仿真计算［4～5］，计算时长0.05s。

4.1 载荷分析

根据联邦德国国防军舰建造规范，将三折线冲击输入谱转化为一个正波和一个负波的组合，相应的波形分为组合半正弦波或组合三角波，实现从频域到时域上的转化。三角形变化历程更接近于设计冲击谱，计算机输入也比较方便，因此，被更多地用于设备抗冲击的时域模拟。三角形变化历程是由正负两个面积相等的三角形叠加而成，三角形变化历程如图1所示，相关参数可按照标准规范进行计算［6］。

图1 三角形载荷变化历程曲线

联邦德国现行的设备冲击标准为BV043/85，对于设备质量小于5t的隔离系统，安装在满载排水量大于2000t的舰船时，抗冲击指标见下表1。

表1 BV043/85规范中部分冲击环境数据（冲击谱）［7～8］

其中，I类安装部位指舰船外板及/或外板扶强材，双层底顶板，主甲板以下隔舱壁；II类安装部位指下甲板与主甲板，主甲板以下隔壁，主甲板以上隔舱壁；III类安装部位指主甲板以上甲板，主甲板以上侧隔壁及中间隔壁。

参考上述BV标准，按II类安装部位选取谱加速度A0=170g，冲击谱速度V0=6m/s，谱位移D0=0.042m进行三角形载荷曲线参数的计算（所有参数均为国际单位制）。

表2 三角形载荷曲线参数

4.2 计算结果

4.2.1 水密门整体von-mises应力云图及典型部位应力时程曲线

两种结构水密门门板初始及结束时刻von-mises应力云图及中心单元应力时程曲线如图4所示，无板架加强结构的水密门门板中心点最大应力发生在t=1.22×10-2s时刻，最大应力368Mpa；设置板架加强结构的水密门门板中心点最大应力发生在t=8.5×10-3s时刻，最大应力240Mpa。

图2 两种结构水密门门板初始时刻von-mises应力云图

无板架加强结构的水密门门板最大应力发生在t=1.2×10-2s时刻，最大应力535Mpa；设置板架加强结构的水密门门板最大应力发生在t=4.40×10-3s时刻，最大应力520Mpa。无板架加强结构的水密门夹头最大应力发生在t=3.39×10-2s时刻，最大应力501Mpa；设置板架加强结构的水密门夹头最大应力发生在t=4.0e-3s时刻，最大应力485Mpa。

将最大峰值应力大于300Mpa的单元高亮显示，可以观察到均为夹头构件及与夹头构件联接的门板单元，且位于长边处的夹头构件单元最大应力大于短边处的夹头构件单元最大应力，长边处的夹头构件中，应力最大值发生在中间的夹头构件单元。

将不同时刻两种结构水密门整体、夹头构件、门板构件最大应力值分别连接绘制成曲线，发现无板架加强结构的水密门整体结构不同时刻最大应力值曲线可在t=0.02s附近分为前后两段，前段曲线与门板前段曲线变化规律十分一致，后段与夹头构件最大应力曲线十分一致，这是因为在无板架加强的情况下，前段冲击载荷作用阶段最大峰值应力大部分发生在载荷直接作用的门板处，而后段结构响应阶段最大峰值应力大部分发生在水密门撞击刚性舱壁后反弹时与刚性舱壁作用的夹头构件上，这与水密门整体运动过程相符。而设置板架加强结构的水密门整体结构不同时刻最大应力值曲线与夹头构件最大应力曲线十分一致，可见板架加强结构可以有效地减小水密门门板最大应力值，水密门整体结构不同时刻最大应力值由夹头构件决定。

图3 不同时刻水密门整体von-mises应力最大值

4.2.2 两种结构水密门塑性应变

门板结构塑性应变大于0.01的部位主要发生在夹头构件与门板联接作用的螺孔处、与舱壁结构接触的尖端处，无板架加强结构的水密门门板最大应变0.0302；设置板架加强结构的水密门门板最大应变0.0317。无板架加强结构的水密门夹头最大应变0.0875；设置板架加强结构的水密门夹头最大应变0.0596。可见板架加强结构可以有效地减小水密门整体最大应变值的作用，两种结构形式的水密门最大塑性应变均不超过0.28，可认为均未发生结构破坏［9～12］。

图4 整体最大有效塑性应变时程曲线

4.2.3 水密门典型位置位移及整体最大位移

选取门板中心及长短边框中点共三个节点考查节点的位移情况，绘制位移曲线如图11，通过分析可知门板先受冲击波压力作用后撞击舱壁前表面后压缩（正向位移），冲击波压力过后门板弹离舱壁（负向位移）。

图5 门板中心及长短边框中点三个节点位移曲线

无板架加强结构的水密门门板最大位移0.0624m；设置板架加强结构的水密门门板最大位移0.0204m。无板架加强结构的水密门夹头最大位移0.0624m；设置板架加强结构的水密门门板最大位移0.0296m。可见板架加强结构有效地减小水密门整体最大位移，使水密门承受空爆载荷冲击而不引起与舱壁结构的脱开。

5 结语

1）依据现有设备抗冲击标准可明确设备抗冲击等级、设备需要满足的抗冲击要求，参考前联邦德国国防军舰建造规范BV043/85中不同安装部位采用的冲击环境数据，可将冲击反应谱转换到正负三角波载荷，实现从频域到时域上的转化，为仿真实时模拟提供输入载荷考核舰船设备抗冲击性能，为舰载设备抗冲击分析、优化设计提供技术路径。

2）水密门结构在爆炸冲击过程中的冲击响应为：门板作为迎爆面首先受冲击波压力作用后撞击舱壁前表面后压缩，冲击波压力过后门板弹离舱壁，整个冲击过程未发生结构破坏；夹头构件受到门板传递的应力波作用，随后在门板弹离舱壁过程中撞击舱壁背爆面表面之后应力进一步增大导致不同程度塑性变形。门板后附连的板架结构有效限制了门板的位移响应，同时起到加强门板强度的作用，分担了冲击载荷。

3）通过对应力云图分析可得出不同结构水密门最大应力位置规律：无板架加强结构的水密门均为夹头构件及门板边框上的单元，且位于长边处的夹头构件单元最大应力大于短边处的夹头构件单元最大应力，长边处的夹头构件中，中间的夹头构件单元应力最大。设置板架加强结构的水密门则主要发生在板架结构及部分夹头构件上的单元。

4）将不同时刻两种结构水密门整体、夹头构件、门板构件最大应力值分别连接绘制成曲线，发现无板架加强结构的水密门整体结构不同时刻最大应力值曲线可分为前后两段，前段曲线与门板前段曲线变化规律十分一致，后段与夹头构件最大应力曲线十分一致，说明前段冲击载荷作用阶段最大峰值应力大部分发生在载荷直接作用的门板处，而后段结构响应阶段最大峰值应力大部分发生在夹头构件上，这与水密门整体先由门板遭受冲击，后反向运动夹头构件承受力的物理过程相一致；而设置板架加强结构的水密门整体结构不同时刻最大应力值曲线与夹头构件最大应力曲线十分一致，说明板架加强结构有效承担了爆炸冲击载荷，可以有效地减小水密门门板最大应力值，水密门整体结构不同时刻最大应力值由夹头构件决定。

5）两种结构水密门塑性应变大于0.01的部位主要发生在夹头构件与门板联接作用的螺孔处、与舱壁结构接触的尖端处，其他大部分结构塑性应变很小，因此设备安装连接结构是抗冲击设计要关键考虑的问题。对比两种结构形式的水密门最大应变可知板架加强结构可以有效地减小水密门整体最大应变值，两种结构形式的水密门最大塑性应变均不超过0.28，可认为均未发生结构破坏。

6）无板架加强结构的水密门门板最大位移0.0624m；设置板架加强结构的水密门门板最大位移0.0204m。无板架加强结构的水密门夹头最大位移0.0624m；设置板架加强结构的水密门门板最大位移0.0296m。可见板架加强结构有效地减小水密门整体最大位移，使水密门承受空爆载荷冲击而不引起与舱壁结构的脱开。