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(華中科技大學 船舶與海洋工程學院,武漢 430074)

水下遠場爆炸載荷下艦船結(jié)構抗沖擊能力是設計者比較關心的問題之一，采用數(shù)值仿真的方法研究水下遠場爆炸載荷下全船結(jié)構沖擊響應是目前公認比較經(jīng)濟、有效的一種方法[1-4]。采用數(shù)值方法計算船舶結(jié)構在水下遠場爆炸載荷下的沖擊響應時，建模的精細程度與建模方法的不同會給結(jié)構沖擊響應帶來一定的影響[5]。本文以某船為對象，利用商業(yè)有限元軟件ABAQUS，計算結(jié)構與設備不同建模方式下船舶在水下遠場爆炸載荷下的沖擊響應，通過比較典型位置的節(jié)點加速度、單元應力以及船舶結(jié)構剖面彎矩等數(shù)據(jù)，從局部與整體的角度全方位研究結(jié)構與設備建模方式對結(jié)構沖擊響應的影響。

1 全船有限元模型

對全船結(jié)構建立比較詳細的有限元模型(簡稱模型A)：板材、桁材(縱桁、強橫梁)的腹板采用殼單元建模，面板采用梁單元建模，其余的普通骨材直接采用梁單元建模；彈性安裝設備(以柴油機和減速齒輪箱為例)采用質(zhì)量單元和彈簧單元模擬；剛性安裝設備(以輔鍋、艦炮和防空導彈為例)采用質(zhì)量單元與螺栓連接區(qū)域剛性耦合的方式處理，模擬設備通過螺栓直接與船體結(jié)構連接。

在模型A的基礎上，分別建立不同的有限元模型，具體見表1。

表1 全船有限元模型

1)由于全船骨材結(jié)構建模工作量較大，在模型A的基礎上，改變普通骨材建模方式，將其按照質(zhì)量相等的原則均攤在附近的板上(即增加板厚以考慮骨材的質(zhì)量)，改變后的有限元模型簡稱模型B。

2)對于剛性安裝設備，在模型A的基礎上，不采用剛性耦合的方式處理，將設備采用質(zhì)量點的方式均攤在其安裝區(qū)域的板材上，改變后的有限元模型簡稱模型C。

3)對于彈性安裝的設備，在模型A的基礎上，不考慮隔振器的影響，將設備采用質(zhì)量點的方式均攤在其安裝區(qū)域的板材上，改變后的有限元模型簡稱模型D。

為了便于結(jié)果比較，4個模型結(jié)構網(wǎng)格大小一致，流域大小統(tǒng)一取為6倍[6]型寬，同時流體單元劃分也保持一致。

采用流固耦合方法考慮船體周圍水介質(zhì)，使用ABAQUS有限元軟件計算船體結(jié)構垂向彎曲前三階頻率，圖1給出了模型A的垂向彎曲前三階振型，其它模型結(jié)果類似。結(jié)果表明骨材與設備的建模方式對船舶結(jié)構總體模態(tài)影響較小。

表2 前三階固有頻率 Hz

圖1 前三階振型

2 船舶結(jié)構局部沖擊響應對比分析

2.1 節(jié)點加速度響應

選取計算工況：爆點在船舯正下方33 m，炸藥為170 kg的TNT當量，由龍骨沖擊因子[7](Shock Factor)公式計算得到?jīng)_擊因子為0.395。

(1)

式中：W——等效TNT當量，kg;

R——水面艦船龍骨與藥包之間的距離，m;

θ——水面艦船龍骨到藥包的連線與垂線的夾角(范圍0°～90°)，本文算例藥包在船體龍骨正下方，θ取值為0°。

在上述工況下，為了比較結(jié)構局部響應的差異，根據(jù)結(jié)構建模方式的不同以及結(jié)構的空間分布，在船舯區(qū)域沿垂向與船寬方向選取若干考核位置，見圖2、3。

圖2 部分結(jié)構有限元模型

圖3 典型設備有限元模型

通過節(jié)點的垂向加速度時程曲線可以直觀地觀察到響應的持續(xù)時間、響應峰值、波動劇烈程度和衰減過程，見圖4。

節(jié)點的垂向加速度曲線反映了其大幅值、高頻振蕩的特點。在考核位置5的節(jié)點加速度峰值達到了1 000 g量級，隨著時間的增加，響應迅速減小，這是由于船底與水耦合導致全船外板振動能量迅速耗散所致，與文獻[6]中描述一致。

考核位置1、4、5分別位于船底龍骨處外板、內(nèi)底板縱骨、外底板縱骨上，典型彈性設備推進柴油機與減速齒輪箱安裝在此區(qū)域的內(nèi)底板上，由于模型A、B、C在船舯區(qū)域建立了連接單元來模擬隔振器，而模型D僅設備以質(zhì)量單元的形式均攤在板上，影響附近區(qū)域質(zhì)量分布與應力波的傳遞，最終影響到節(jié)點的沖擊響應，導致模型D此處的加速度響應與其它模型有一定的差異。

考核位置2位于下甲板的桁材處，由節(jié)點加速度曲線可知，模型B由于將普通骨材均攤在附近的板上，使局部剛度減小，導致考核位置2的加速度差異較為明顯。同時考核位置2位于彈性設備的上方，模型D由于彈性設備未考慮隔振器的影響，導致此處加速度與模型A相比有一定的差異?？己宋恢?位于下甲板的普通縱骨處，模型B此處的加速度的差異較考核位置2更為明顯，說明縱骨建模方式對結(jié)構局部響應影響較大。

圖4 典型考核位置節(jié)點加速度

考核位置1～5，模型A與模型C的加速度大小趨勢基本一致，這是因為剛性連接設備(輔鍋、艦炮和防空導彈安裝在艏部和艉部)離選取的考核區(qū)域(船舯)較遠，剛性設備建模方式對考核區(qū)域局部節(jié)點加速度影響有限。另一方面，對于考核位置6，由于其位于剛性連接設備輔鍋安裝區(qū)域，如圖 3b)所示，模型C處加速度與另外3個模型有顯著差異，因此剛性連接設備建模方式對結(jié)構局部加速度響應影響較大。

2.2 單元應力

水下遠場爆炸載荷作用下各考核位置處單元應力見圖 5。

圖5 典型考核位置處單元應力

首先觀察模型A各考核單元的應力時程曲線。位于船底龍骨外板上的考核位置1的單元最先受到?jīng)_擊載荷，從而此處單元應力較大，隨著應力波在船體結(jié)構中由船底向上甲板傳播，單元應力減小。

不同模型之間考核位置1、4、5單元應力曲線規(guī)律與節(jié)點加速度類似，模型D處的單元應力與其它3個模型結(jié)果有較明顯差異，因此，對于彈性設備而言，有限元建模是否考慮隔振器因素對其附近結(jié)構應力響應有較大影響。

對于考核位置2，由單元應力曲線可知，模型B由于將普通骨材均攤在附近的板上，使局部剛度減小，導致考核位置2的單元應力與另外3個模型相比有一定的差異。而對于考核位置3，由于其位于下甲板的普通骨材處，模型B處的單元應力的差異較考核位置2(縱桁處)更為明顯。

考核位置1～5，模型A與模型C的單元應力大小趨勢基本一致，這是因為剛性連接設備離考核位置較遠，對考核位置局部單元應力影響有限。與加速度響應類似，對于考核位置6，模型C單元應力與另外3個模型結(jié)果相比差異顯著，因此剛性連接設備建模方式會顯著影響結(jié)構局部單元應力。

3 沖擊載荷下船舶結(jié)構剖面彎矩對比分析

沖擊載荷下船舶結(jié)構剖面彎矩是一個重要的指標。本文針對四個模型，采用剖面應力積分方法給出了分別位于船長0.25L處、船長0.50L處、船長0.75L處剖面垂向彎矩，見圖 6。

圖6 典型剖面彎矩時程

觀察典型剖面彎矩時程曲線，由于爆點位于船舯正下方，在3個考核剖面中船舯的彎矩最大。同時可以發(fā)現(xiàn)，模型A、B、C的彎矩結(jié)果吻合較好，而將彈性連接設備以質(zhì)量點均攤到板上的模型D較其它3個模型有一定的差異。以上結(jié)果表明普通骨材均攤的建模方式對剖面彎矩影響較?。欢笮蛷椥栽O備建模處理方式會對剖面彎矩帶來一定的影響；對于剛性安裝設備，無論采用質(zhì)量點均攤的方式還是采用剛性域的方式，對剖面彎矩影響較小。

4 結(jié)論

1)船舶結(jié)構與設備的建模方式對于結(jié)構的局部響應(加速度、應力等)影響較大，尤其是所關注區(qū)域的結(jié)構和設備，需采用細致建模方法處理以減少對結(jié)構局部響應的影響。

2)若只關注船舶結(jié)構的總體響應，如剖面彎矩，可采用將普通骨材均攤的方式進行建模以減小建模工作量。同時，對于剛性安裝的設備，可采用質(zhì)量點均攤的方式處理，以減小建模工作量。

3)對于大型彈性安裝設備，由于其建模方式對結(jié)構局部和總體響應都有一定的影響，在船舶結(jié)構沖擊響應計算時，建議采用質(zhì)量點和彈簧單元進行真實模擬。

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