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(1.海軍駐大連426廠軍事代表室，遼寧 大連116000；2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

船舶艉軸架軸承是船舶推進(jìn)系統(tǒng)中較為脆弱的部件之一，它懸掛在船艉，負(fù)載大、剛性差，完全浸泡于水中，容易受到外界環(huán)境的影響。當(dāng)發(fā)生水下爆炸時(shí)，艉軸架軸承所受到的破壞也更為嚴(yán)重，直接影響到船舶軸系的推進(jìn)性能及船舶的續(xù)航能力。目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究主要都集中在爆炸沖擊對(duì)船殼結(jié)構(gòu)的影響，很少對(duì)抗爆結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，如爆炸沖擊對(duì)艉軸架軸承的影響[1]。研究船舶艉軸架軸承在水下非接觸爆炸沖擊作用下的響應(yīng)特性，有助于優(yōu)化艉軸架軸承結(jié)構(gòu)，提高抗沖擊能力，以保證其可靠性和安全性[2]。

以某船舶的艉軸架軸承(見(jiàn)圖1)為研究對(duì)象，應(yīng)用有限元仿真方法，在不考慮水域自身流場(chǎng)和螺旋槳抽吸作用下，研究炸藥當(dāng)量和爆心位置對(duì)艉軸架軸承的位移、應(yīng)力和速度等響應(yīng)特性的影響規(guī)律。

圖1 艉軸架軸承示意

1 模型的建立

艉軸架軸承結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖2。各部件的幾何

圖2 艉軸架軸承結(jié)構(gòu)尺寸示意

參數(shù)和材料屬性見(jiàn)表1～3。

表1 艉軸架軸承結(jié)構(gòu)尺寸 mm

表2 螺旋槳的主要參數(shù)

表3 主要零件材料性能參數(shù)

應(yīng)用Ansys/LS-dyna軟件對(duì)某船舶艉部的局部區(qū)域進(jìn)行數(shù)值仿真。設(shè)定船體的坐標(biāo)系，坐標(biāo)系的基平面YOZ與船體的中縱剖面重合;X軸指向船體的右舷;Y軸垂直于水線(xiàn)面且以向上為正;Z軸指向船艉。仿真計(jì)算采用cm-g-μs單位制，船體艉部局部區(qū)域的三維模型見(jiàn)圖3。

圖3 船體艉部的局部區(qū)域模型

考慮到船體結(jié)構(gòu)及其所在的水域均具有對(duì)稱(chēng)性，為提高計(jì)算效率，仿真計(jì)算將采用1/2建模法建立船體及其所在水域的有限元模型[3]，見(jiàn)圖4。

圖4 船體艉部及其所在水域的仿真計(jì)算模型

模型有456 483個(gè)節(jié)點(diǎn)和448 632個(gè)單元，水域?yàn)?5 m×20 m×35 m，水域的邊界條件設(shè)置為無(wú)反射邊界條件[4]。

仿真計(jì)算將采用ALE算法[5]，炸藥和水介質(zhì)分別采用JWL狀態(tài)方程和Gruneisen狀態(tài)方程，其狀態(tài)參數(shù)[6]見(jiàn)表4。

表4 TNT炸藥和水介質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)

為保證爆炸沖擊波能夠在水中有效地形成，提高計(jì)算精度，一般都要求爆炸點(diǎn)與研究對(duì)象之間的爆炸距離應(yīng)不小于6倍的炸藥包半徑。

2 炸藥當(dāng)量的影響

探討在近距離水下爆炸下，炸藥當(dāng)量對(duì)船舶艉軸架軸承響應(yīng)特性的影響。主要研究對(duì)象為軸承外殼、軸承襯套和軸承內(nèi)襯的下中心點(diǎn)。爆心位于艉軸架軸承外殼下中心點(diǎn)的正下方4 m處，爆心與艉軸架軸承的相對(duì)位置見(jiàn)圖5。

圖5 爆心與艉軸架軸承的相對(duì)位置

考慮到相關(guān)因素的限制，選取4種不同的炸藥當(dāng)量工況，見(jiàn)表5。

表5 4種工況數(shù)據(jù) kg

通過(guò)仿真計(jì)算，求解出在不同炸藥當(dāng)量工況下，艉軸架軸承各測(cè)點(diǎn)處的位移、應(yīng)力和速度的響應(yīng)峰值變化，見(jiàn)圖6～8。

圖6 炸藥當(dāng)量對(duì)位移響應(yīng)峰值的影響

圖7 炸藥當(dāng)量對(duì)應(yīng)力響應(yīng)峰值的影響

圖8 炸藥當(dāng)量對(duì)速度響應(yīng)峰值的影響

由圖6～8可見(jiàn)，隨著炸藥當(dāng)量的增加，各測(cè)點(diǎn)處的位移、應(yīng)力和速度的響應(yīng)峰值都在不斷增加，且它們的增長(zhǎng)趨勢(shì)基本一致。但與位移和速度的響應(yīng)峰值曲線(xiàn)有所不同，在應(yīng)力響應(yīng)峰值曲線(xiàn)中，軸承內(nèi)襯處的應(yīng)力是明顯小于軸套處和軸承外殼處的應(yīng)力。雖然3個(gè)測(cè)點(diǎn)處的變形大致相同，但它們材料的彈性模量卻不一樣，根據(jù)胡克定律，會(huì)出現(xiàn)如圖7所示的情況。

3 爆心位置的影響

在不考慮艉軸架損壞的情況下，探討爆心位置對(duì)艉軸架軸承的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性的影響規(guī)律。取炸藥當(dāng)量為104 kg，研究軸承外殼、軸承襯套和軸承內(nèi)襯的下中心點(diǎn)。

3.1 垂向位置對(duì)響應(yīng)特性的影響

考慮爆炸距離應(yīng)不小于6倍的炸藥包半徑，研究中選取了以下4種垂向位置工況，見(jiàn)表6。

表6 4種工況數(shù)據(jù) m

爆心位于艉軸架軸承外殼下中心點(diǎn)正下方的Y處，爆心與艉軸架軸承的相對(duì)位置見(jiàn)圖9。

圖9 爆心與艉軸架軸承的相對(duì)位置

通過(guò)仿真計(jì)算，求解出在不同垂向位置工況下，艉軸架軸承各測(cè)點(diǎn)處的位移、應(yīng)力和速度響應(yīng)峰值的有限元仿真結(jié)果，見(jiàn)圖10～12。

圖10 垂向位置對(duì)位移響應(yīng)峰值的影響

圖11 垂向位置對(duì)應(yīng)力響應(yīng)峰值的影響

圖12 垂向位置對(duì)速度響應(yīng)峰值的影響

由圖10～12可見(jiàn)，隨著爆心離艉軸架軸承的垂向距離增大，艉軸架軸承各測(cè)點(diǎn)處的位移、應(yīng)力和速度的響應(yīng)峰值變化趨勢(shì)基本一致，都在不斷地減小。

圖11表明，炸藥當(dāng)量為104 kg，爆距為2 m時(shí)，艉軸架軸承外殼處應(yīng)力峰值(270 MPa)超過(guò)鋼材的許用應(yīng)力(235 MPa)，會(huì)造成艉軸架軸承損壞，而其它工況不會(huì)對(duì)艉軸架軸承造成損壞。

3.2 橫向位置對(duì)響應(yīng)特性的影響

以艉軸架軸承外殼下中心點(diǎn)的正下方4 m處作為坐標(biāo)原點(diǎn)，以指向船舶右舷的方向作為X的正方向，考察爆心離艉軸架軸承的橫向位置對(duì)軸承響應(yīng)特性的影響。爆心與艉軸架軸承的相對(duì)位置見(jiàn)圖13。4種橫向位置工況見(jiàn)表7。

圖13 爆心與艉軸架軸承的相對(duì)位置

表7 4種工況數(shù)據(jù) m

通過(guò)仿真計(jì)算求解出在不同橫向位置工況下，艉軸架軸承各測(cè)點(diǎn)處的位移、應(yīng)力和速度的響應(yīng)峰值變化，見(jiàn)圖14～16。

圖14 橫向位置對(duì)位移響應(yīng)峰值的影響

圖15 橫向位置對(duì)應(yīng)力響應(yīng)峰值的影響

圖16 橫向位置對(duì)速度響應(yīng)峰值的影響

由圖14～16可見(jiàn)，隨著爆心與艉軸架軸承的橫向距離增大，各測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力和速度響應(yīng)峰值都是不斷減小，但位移響應(yīng)峰值卻是先增大后減小。這主要是因?yàn)楸脑跈M向移動(dòng)時(shí)，迎爆面由艉軸架軸承的下底面轉(zhuǎn)移到艉軸架軸承的側(cè)面。由于艉軸架軸承的橫向剛度(4.8×109N/m)小于其垂向剛度(6.6×109N/m)，使得迎爆面在側(cè)面時(shí)各測(cè)點(diǎn)的位移響應(yīng)峰值大于迎爆面在下底面時(shí)。隨著爆心橫向移動(dòng)距離的增大，沖擊波能量的減小幅度逐漸大于艉軸架軸承剛度減小的幅度，使得各測(cè)點(diǎn)的位移響應(yīng)峰值開(kāi)始減小。

3.3 縱向位置對(duì)響應(yīng)特性的影響

以艉軸架軸承外殼下中心點(diǎn)的正下方4 m處作為坐標(biāo)原點(diǎn)，以指向船艏的方向作為Z的正方向，考察爆心的縱向位置對(duì)艉軸架軸承響應(yīng)特性的影響。爆心與艉軸架軸承的相對(duì)位置見(jiàn)圖17，所討論的4種工況見(jiàn)表8。

圖17 爆心與艉軸架軸承的相對(duì)位置

表8 工況數(shù)據(jù) m

仿真計(jì)算求解出在不同縱向位置工況下，艉軸架軸承各測(cè)點(diǎn)處的位移、應(yīng)力和速度的響應(yīng)峰值變化，見(jiàn)圖18～20。

圖18 縱向位置對(duì)位移響應(yīng)峰值的影響

由圖18～20可見(jiàn)，隨著爆心縱向距離的增大，位移、應(yīng)力和速度的響應(yīng)峰值變化趨勢(shì)基本一致，都在不斷地減小。

圖19 縱向位置對(duì)應(yīng)力響應(yīng)峰值的影響

圖20 縱向位置對(duì)速度響應(yīng)峰值的影響

4 結(jié)論

利用Ansys/LS-dyna軟件分析水下爆炸沖擊對(duì)船舶艉軸架軸承響應(yīng)特性的影響，此方法能夠方便地對(duì)艉軸架軸承的抗爆性進(jìn)行評(píng)估與優(yōu)化，從而提高艉軸架軸承的使用壽命并減少試驗(yàn)費(fèi)用。但由于條件所限，在分析過(guò)程中未能考慮到水域自身流場(chǎng)和螺旋槳抽吸作用對(duì)爆炸沖擊的影響，所以計(jì)算結(jié)果與實(shí)際之間仍存在著一定的誤差。

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