李 琛，宋敬利，沈曉樂

（海軍91439部隊，遼寧大連 116041）

基于數值仿真船體結構毀傷測點布設方法研究

李 琛，宋敬利，沈曉樂

（海軍91439部隊，遼寧大連 116041）

為有效測量水下爆炸作用下船體結構的毀傷程度，優(yōu)化測點布設，建立了典型艦船有限元模型，運用大型有限元分析軟件ABAQUS提供的聲固耦合方法，對船體結構在爆炸載荷作用下的沖擊響應進行仿真；依據數值仿真結果，分析船體結構薄弱環(huán)節(jié)，并將這些薄弱環(huán)節(jié)作為重點測量部位，結合工程實踐和海上試驗經驗，在準確測量結構毀傷的基礎上，合理布設傳感器測點，研究設計了水下爆炸作用下船體結構毀傷測點布設方法；經海上爆炸試驗驗證，數值仿真結果與試驗測試結果吻合良好，該毀傷測點布設方法設計合理。

水下爆炸；數值仿真；船體結構毀傷；測點布設

0 引言

船體結構作為所有功能系統(tǒng)的載體和安裝平臺，其爆炸安全性直接影響整個艦船的生命力。船體結構在水下爆炸作用下的毀傷程度，是艦船生命力的反映，同時也是水中兵器作戰(zhàn)效能和毀傷目標能力的重要體現。船體結構毀傷測量作為水中兵器毀傷能力試驗鑒定的重要內容，測量的準確性直接關系到對水中兵器毀傷能力和作戰(zhàn)效能的客觀評價。因此，研究確定合理的船體結構毀傷測點布設方法，準確測量船體結構毀傷，對于有效檢驗水中兵器毀傷能力和作戰(zhàn)效能具有重要意義。

水下爆炸仿真主要進行水下爆炸對目標毀傷的物理、數學模型研究，通過研究實現水中兵器爆炸威力以及艦船抗爆抗沖擊的數值模擬與全過程仿真［1］。隨著各種商用有限元程序的引進，我國研究學者在數值仿真研究中取得了大量成果［2 8］。本文采用通用數值程序ABAQUS中的聲固耦合法，模擬水下近場爆炸作用下某典型艦船船體的響應，獲得水下近場爆炸該型船體結構毀傷效果。依據仿真分析，給出指定工況條件下船體結構響應的大致范圍，合理選擇傳感器的類型和量程，從而避免產生量程過大、試驗數據信噪比差和量程過小、容易引起傳感器損壞的問題，提高系統(tǒng)測試精度；同時，依據數值結果，給出沖擊條件下船體結構的薄弱環(huán)節(jié)，進行測點優(yōu)化布設，用有限的測點獲得船體結構響應的主要信息，完成試驗考核任務。

1 仿真模型的建立

隨著計算機技術發(fā)展，數值分析成為水下爆炸研究有效的技術手段。水下爆炸載荷作用下的船體結構動態(tài)響應實際上是流－固耦合問題，而聲－固耦合法是處理上述問題行之有效的方法之一［9 10］。水中兵器爆炸對艦船目標的毀傷破壞主要是由戰(zhàn)斗部在水中爆炸形成的沖擊波、由爆炸產物所形成的球狀氣室（氣泡）和由氣泡脈動形成的脈動壓力波及其他力量作用的結果［11］。本文采用ABAQUS內嵌的聲－固耦合方法，采用一種聲學介質來描述流體，沖擊波在聲學單元中傳播。

1.1 有限元模型

采用有限元軟件ANSYS建立某型艦的幾何模型。有限元模型采用笛卡爾坐標系，坐標原點取在基線上第125號肋骨處，x軸重合于基線，向艦首方向為正；y軸垂直于中線面，向左舷為正；z軸垂直于水線面，向上方為正。該艦模型由ANSYS建立，導入到ABAQUS后進行有限元分析計算。

取流場半徑是結構半徑的6倍［12］，在ABAQUS里建立某艦周圍流場有限元模型，結合ABAQUS軟件中的模型，最終形成某艦與其周圍流場的三維有限元模型，如圖1所示。

圖1 某艦及其周圍流場有限元模型

1.2 計算工況

本文選取船底正下方所對應的工況，工況設置如表1所示。藥包藥量為1，爆炸位置沿船長方向為艏部爆炸（1／8船長處）、舯部爆炸（1／2船長處）和艉部爆炸（7／8船長處），對不同水下爆炸典型工況的艦船近場毀傷效果進行校核。

表1 DENM消息的分類及對應的保鮮度

2 仿真結果及分析

通過計算發(fā)現，在工況1，即藥包藥量為1、爆距為0.18，爆點在船底正下方，爆點位置在船艏方向時，應力、應變以及加速度幅值最大。下面結合該工況中船體的應力、應變、加速度等計算參數，對水下爆炸作用下某艦的局部強度毀傷和沖擊環(huán)境進行分析。

2.1 局部強度毀傷分析

圖2為工況1下全船、外板和平臺甲板的應力應變云圖。

圖2 船體的應力、應變云圖

表2給出爆點位于船艏下方相對應的破口尺寸，內底板以及龍骨的塑性變形。

表2 爆點位于艏部下方的計算數據m

由圖2可以看出，爆源在船艏部船底正下方爆炸時，在水下爆炸沖擊波載荷作用下，沖擊波最先接觸到船底板，船底外板受沖擊波載荷的直接作用，船艏部船底板處出現明顯的應力集中并首先發(fā)生應變，且超出了材料的屈服極限，外板局部出現破口；隨后應變由船艏部船底板處向上部和艏艉兩側傳遞到船體結構的其他部分，最后覆蓋整個船體。由表2可以看出，船艏底部迎爆面毀傷情況較為嚴重，外板、內底板出現較大的塑性變形；取失效應變?yōu)?.28，外板局部出現破口，完整破口半徑約為0.8 m。船艏底部為船體船體結構的薄弱環(huán)節(jié)，船艏部船底外板處的應變和變形要遠大于船體其他部位的應變和變形，計算結果與實際分析情況較為相符，具有較高的可信度。

2.2 沖擊環(huán)境分析

沖擊造成的船體沖擊響應，在船體的各個部位是不同的，對于水面艦船來說，垂直沖擊速度是主要的［13］。將建立的某艦有限元模型，進行水下爆炸沖擊響應計算，提取船體典型測點的加速度時歷曲線。

爆源TNT當量為1、爆距0.09，船底正下方攻擊、爆炸位置位于船艏時，爆炸沖擊下船體典型測點的垂向加速度峰值見表3。

表3 典型_測點垂向加速度峰值

通過比對表3中測點的垂向加速度峰值可知，垂向加速度峰值大小主要和測點與沖擊波最先到達點之間的距離有關，船底板中部測點7的加速度峰值比2甲板中部測點8的加速度峰值大，遠遠大于主甲板中部測點9的加速度峰值；船底板距離爆點最近，因而其沖擊加速度最大，到了相對爆點比較遠的主甲板加速度迅速下降，可見，隨著距爆點距離的的增大，加速度曲線峰值減小。同時，由于船體結構的緩沖作用，使得各層平臺和甲板所承受的沖擊響應隨著層次的提高，一層比一層小，高頻運動的分量逐漸衰減。

圖6～圖9給出了爆源TNT當量為1、爆距0.09，船底正下方攻擊、爆炸位置位于船艏時，爆炸沖擊下船體典型測點的垂向加速度曲線。

圖61 甲板測點3加速度曲線

圖71 甲板測點5加速度曲線

通過比對圖6和圖7中測點加速度響應的時歷曲線可知，船體底板舯部和艏部的響應不同，但都能明顯反映出沖擊波的直接作用，峰值大且波形陡峭。隨著時間的增加，響應迅速減小，這是由于船體底板完全與水耦合，振動能量散失很快；另外，底板舯部的加速度峰值出現時間較底板艏部加速度峰值出現的時間有明顯的延遲現象，這是由于沖擊波最先到達底板艏部，而后才能傳遞到底板舯部去，所以底板舯部和船艉部在響應時間上會產生一定的延遲現象。

圖8 船底板測點7加速度曲線

圖9 主甲板測點9加速度曲線

3 船體結構毀傷測點布設方法

水下爆炸毀傷艦船試驗測點需求大，測量通道數多，實施越復雜。依據水爆作用下船體結構毀傷數值仿真計算結果，能夠確定爆炸沖擊作用下船體結構的薄弱環(huán)節(jié)，通過優(yōu)化測點布設，可減少測量通道數。

3.1 船體結構薄弱環(huán)節(jié)

從圖2可以看出，爆炸位置為船艏時，船艏1／4、船舯、船艉1／4橫剖面的應力較為集中，為載荷較大部位；船艏底部迎爆面區(qū)域為與爆心距離較近的區(qū)域，應力集中比較嚴重，局部出現破口；船體結構被削弱部位，如存在大開口的橫剖面；應力集中較嚴重的部位，如開口角隅部位，結構尺寸、材料屬性發(fā)生突變的部位；焊縫部位及焊接熱影響區(qū)等。上述部位為船體結構的薄弱環(huán)節(jié)，在進行測點布設時，盡量密集布置，以便準確反映水爆作用下的船體結構毀傷情況。

3.2 船體結構毀傷測量測點布設方法

船體結構毀傷測量參數主要包括爆炸后測量參數和實時測量參數。爆炸后測量參數主要包括塑性變形的幅度和變化規(guī)律、塑性變形區(qū)域范圍、破口尺寸、殼板裂紋擴展路徑和裂紋邊緣厚度減薄，由邊緣厚度減薄率可計算得出塑性極限應變［14］?？刹捎梅墙佑|應變測量系統(tǒng)對上述爆炸后參數進行測量。

實時測量參數主要包括典型部位的應變和加速度。

1）應變測點布設：依據仿真結果，若炸點位于船艏正下方時，船外板可能會出現破口；若炸點位于船舯或船艉正下方時，在外板、內底板和龍骨出現塑性變形，因此，應變測點主要布設在外板、內底板和船體結構的其他薄弱環(huán)節(jié)上。由于應變片價格低廉，粘貼方便，在船體結構上可布設多個應變片，可通過仿真結果中船體結構的應力峰值計算并選擇適合的應變片量程。

在主甲板中線上，沿艏艉方向，按8等分，在等分線上布置測點；在等分線左右兩側甲板上每個區(qū)域布設2個測點，左右各16個測點，每個測點分別測量垂向和縱向應變，測點可設置在板格中部或板與骨架連接處。

在底部外板上，沿艏艉方向，按8等分，將左右舷側劃分為8個區(qū)域，每個區(qū)域布設2個測點，左右舷側各16個測點，每個測點分別測量垂向和縱向應變，測點可設置在板格中部或板與骨架連接處。艦船水下爆炸沖擊波載荷作用下結構動態(tài)響應具有一定的局限性，變形主要集中于船體直接受爆面局部區(qū)域，因此，迎爆面測點布設的密度應比背爆面測點布設的密集程度大，迎爆面布設測點可增加一倍。

在龍骨處的內底板上，沿艏艉方向，按8等分，在等分線上布置測點，每個測點分別測量縱向和橫向應變。

2）沖擊加速度測點布設：沖擊加速度反映水面艦船結構的沖擊環(huán)境，從表2和圖2可知，船體結構各層平臺所承受的沖擊響應隨著層次的提高，一層比一層??；而距船艏1／4、1／2、3／4船長位置的橫剖面是載荷較大部位，因此，沿艏艉方向，在距船艏1／4、1／2、3／4船長位置，從底艙到上甲板自下而上沿垂直分層布置加速度測點，左右兩側對稱布設，共24個測點，每個測點分別測垂向和橫向的加速度。布設在船體結構下層的傳感器量程大，布設在船體結構上層的傳感器量程小。

在駕駛室從底艙到指揮臺垂直分層布置，將加速度傳感器安裝在艙室中部，安裝方向以垂向為主。

在主甲板中線上，沿艏艉方向，將船體縱向長度劃分8等分，在等分線上布置加速度傳感器。

在龍骨處的內底板上，按8等分，沿艏艉方向，在等分線上布置加速度傳感器，傳感器沿垂向安裝。

典型船體結構毀傷測點布置如圖10所示，圖中X0～X4分別是縱向8等分處，Z1～Z4分別是垂向4等分處。

圖10 典型船體結構測點布置剖視圖

4 結束語

水下爆炸作用下船體結構毀傷測量的準確可靠是關系水中兵器毀傷能力和作戰(zhàn)效能客觀評價的關鍵內容，采用數值仿真的方法，獲得水下近場爆炸船體結構毀傷效果，分析船體結構的薄弱環(huán)節(jié)，進行合理的測點布設，從而通過最少的測點來達到毀傷測量的目的。本文提出的方法在某艦縮比模型水下爆炸試驗中得到了驗證，在有效考核艦船模型結構毀傷的同時，減少測點布設，提高了試驗效率，可用于指導水下爆炸毀傷試驗測量方案設計。

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Measuring Point Layout Method for Warship Structure Damage Based on Numerical Simulations

Li Chen，Song Jingli，Shen Xiaole

（Naval Forces Unit 91439，Dalian 116041，China）

In order to measure effectively the damage of warship structure in UNDEX，and optimized measuring point layout，the typical warship finite element model is established.By using the acoustic－structure coupling method embedded in the large finite element analysis software ABAQUS，it was simulated that the impulsion response of the warship structure subjected to the explosion loading.Analyzed the warships weakness and acted the weakness as the major measure position which based on the simulation results，combined with the sea test experience and engineering practice，reasonably set sensor station meanwhile objectively measured structure damage，it was put forward that measuring point layout method for warship structure damage in UNDEX.The result of offshore explosion test verified that the coincidence numerical simulations with test value is good，the design of measuring point layout method is rational.

underwater explosion；numerical simulations；warship structure damage；measuring point layout

1671-4598（2016）08-0290-04

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.079

：TN713

：A

2016-03-08；

：2016-03-26。

李 ?。?972-），女，碩士，高級工程師，主要從事水下爆炸試驗測量與數據處理方向的研究。