劉文思 王 鑫

（91439部隊 大連 116041）

1 引言

設備按其對艦船作戰(zhàn)和安全的重要性不同，抗沖擊等級分為A級和B級。其中B級設備是指對艦船連續(xù)作戰(zhàn)和安全不是必需的設備［1］。這種設備應能承受沖擊而不引起設備或設備外部結構脫開或產生任何危害，安裝在同一緩沖平臺上的所有設備均應計算位移量，保證系統(tǒng)設備與船體結構及其之間不會發(fā)生碰撞。

設備的抗沖擊設計經(jīng)歷了靜態(tài)等效法、動力設計分析方法和實時模擬法3個階段［2～3］，由于前兩種方法在考核設備的高頻破壞和非線性破壞時的局限性，目前實時模擬法已逐漸成為發(fā)展的趨勢，因此采用實時模擬法分析水下爆炸沖擊作用下水密門設備響應，參考前聯(lián)邦德國國防軍艦建造規(guī)范BV043/85中不同安裝部位采用的沖擊環(huán)境數(shù)據(jù)，將沖擊反應譜轉換到正負三角波載荷，實現(xiàn)從頻域到時域上的轉化，加載該載荷考核艦船設備抗沖擊性能。

2 水密門設備三維模型建立

對水密門圖紙進行結構強度分析，不難發(fā)現(xiàn)主要承載結構為沖擊直接作用的門板，易損結構為承擔門板與艙壁聯(lián)接的夾頭構件，其他桿件不直接遭受載荷作用，且結構強度大于夾頭構件，由于過于細小的連接零部件會影響計算效率，故只考慮門板及夾頭聯(lián)接構件，根據(jù)門板后是否設置板架加強結構分為兩種水密門設計結構，分別對設置板架加強結構和無板架加強結構的水密門建立簡化三維模型。

3 水密門設備有限元建模

3.1 門板

采用殼單元建立門板有限元模型，尺寸為2.197m×1.676m，四周圓角過渡R=0.2m。

3.2 夾頭構件

夾頭構件起到連接緊固水密門門板與剛性艙壁的作用，在水密門設備中屬連接構件，對結構強度的初步分析判斷其為易損結構，在水密門設備抗沖擊分析中應予以研究。

3.3 板架加強結構

板架加強結構附著于門板背面，采用T型殼單元建模，厚度為8×10-3m，中心部分高度0.1m，四周邊緣高度0.05m，之間為線性過渡處理，板架加強結構與門板共同組成水密門主體，起到連接緊固水密門門板的作用，在水密門結構中屬加強構件。

3.4 剛性艙壁

艙壁結構是水密門設備的安裝及支撐主體，所以可將水密門連接固定的艙壁簡化為剛體墻處理，認為艙壁結構在設計沖擊載荷作用下保持剛性固定不發(fā)生變形。

3.5 材料

水密門材料選取剛塑性材料模型，密度7800kg/m3，彈性模量 2.1×1011Pa，泊松比 0.3，板厚8×10-3m。同時考慮應變率強化效應，采用Cowp?er-Symonds強化模型：

式中σy，σ0分別表示動、靜態(tài)屈服應力。

3.6 邊界條件

由于艙壁結構簡化為剛性艙壁，因此在剛性艙壁出添加固支邊界條件；水密門門板與夾頭構件通過螺栓連接，由于簡化去掉其他桿件結構，且沖擊載荷作用為瞬態(tài)載荷，計算中將螺栓連接簡化為點焊連接處理；水密門門板、夾頭構件與剛性艙壁之間設置接觸約束條件。

4 抗沖擊計算

對水密門設備有限元整體模型進行前處理，利用 ls-dyna顯式動力學分析程序進行仿真計算［4～5］，計算時長0.05s。

4.1 載荷分析

根據(jù)聯(lián)邦德國國防軍艦建造規(guī)范，將三折線沖擊輸入譜轉化為一個正波和一個負波的組合，相應的波形分為組合半正弦波或組合三角波，實現(xiàn)從頻域到時域上的轉化。三角形變化歷程更接近于設計沖擊譜，計算機輸入也比較方便，因此，被更多地用于設備抗沖擊的時域模擬。三角形變化歷程是由正負兩個面積相等的三角形疊加而成，三角形變化歷程如圖1所示，相關參數(shù)可按照標準規(guī)范進行計算［6］。

圖1 三角形載荷變化歷程曲線

聯(lián)邦德國現(xiàn)行的設備沖擊標準為BV043/85，對于設備質量小于5t的隔離系統(tǒng)，安裝在滿載排水量大于2000t的艦船時，抗沖擊指標見下表1。

表1 BV043/85規(guī)范中部分沖擊環(huán)境數(shù)據(jù)（沖擊譜）［7～8］

其中，I類安裝部位指艦船外板及/或外板扶強材，雙層底頂板，主甲板以下隔艙壁；II類安裝部位指下甲板與主甲板，主甲板以下隔壁，主甲板以上隔艙壁；III類安裝部位指主甲板以上甲板，主甲板以上側隔壁及中間隔壁。

參考上述BV標準，按II類安裝部位選取譜加速度A0=170g，沖擊譜速度V0=6m/s，譜位移D0=0.042m進行三角形載荷曲線參數(shù)的計算（所有參數(shù)均為國際單位制）。

表2 三角形載荷曲線參數(shù)

4.2 計算結果

4.2.1 水密門整體von-mises應力云圖及典型部位應力時程曲線

兩種結構水密門門板初始及結束時刻von-mises應力云圖及中心單元應力時程曲線如圖4所示，無板架加強結構的水密門門板中心點最大應力發(fā)生在t=1.22×10-2s時刻，最大應力368Mpa；設置板架加強結構的水密門門板中心點最大應力發(fā)生在t=8.5×10-3s時刻，最大應力240Mpa。

圖2 兩種結構水密門門板初始時刻von-mises應力云圖

無板架加強結構的水密門門板最大應力發(fā)生在t=1.2×10-2s時刻，最大應力535Mpa；設置板架加強結構的水密門門板最大應力發(fā)生在t=4.40×10-3s時刻，最大應力520Mpa。無板架加強結構的水密門夾頭最大應力發(fā)生在t=3.39×10-2s時刻，最大應力501Mpa；設置板架加強結構的水密門夾頭最大應力發(fā)生在t=4.0e-3s時刻，最大應力485Mpa。

將最大峰值應力大于300Mpa的單元高亮顯示，可以觀察到均為夾頭構件及與夾頭構件聯(lián)接的門板單元，且位于長邊處的夾頭構件單元最大應力大于短邊處的夾頭構件單元最大應力，長邊處的夾頭構件中，應力最大值發(fā)生在中間的夾頭構件單元。

將不同時刻兩種結構水密門整體、夾頭構件、門板構件最大應力值分別連接繪制成曲線，發(fā)現(xiàn)無板架加強結構的水密門整體結構不同時刻最大應力值曲線可在t=0.02s附近分為前后兩段，前段曲線與門板前段曲線變化規(guī)律十分一致，后段與夾頭構件最大應力曲線十分一致，這是因為在無板架加強的情況下，前段沖擊載荷作用階段最大峰值應力大部分發(fā)生在載荷直接作用的門板處，而后段結構響應階段最大峰值應力大部分發(fā)生在水密門撞擊剛性艙壁后反彈時與剛性艙壁作用的夾頭構件上，這與水密門整體運動過程相符。而設置板架加強結構的水密門整體結構不同時刻最大應力值曲線與夾頭構件最大應力曲線十分一致，可見板架加強結構可以有效地減小水密門門板最大應力值，水密門整體結構不同時刻最大應力值由夾頭構件決定。

圖3 不同時刻水密門整體von-mises應力最大值

4.2.2 兩種結構水密門塑性應變

門板結構塑性應變大于0.01的部位主要發(fā)生在夾頭構件與門板聯(lián)接作用的螺孔處、與艙壁結構接觸的尖端處，無板架加強結構的水密門門板最大應變0.0302；設置板架加強結構的水密門門板最大應變0.0317。無板架加強結構的水密門夾頭最大應變0.0875；設置板架加強結構的水密門夾頭最大應變0.0596。可見板架加強結構可以有效地減小水密門整體最大應變值的作用，兩種結構形式的水密門最大塑性應變均不超過0.28，可認為均未發(fā)生結構破壞［9～12］。

圖4 整體最大有效塑性應變時程曲線

4.2.3 水密門典型位置位移及整體最大位移

選取門板中心及長短邊框中點共三個節(jié)點考查節(jié)點的位移情況，繪制位移曲線如圖11，通過分析可知門板先受沖擊波壓力作用后撞擊艙壁前表面后壓縮（正向位移），沖擊波壓力過后門板彈離艙壁（負向位移）。

圖5 門板中心及長短邊框中點三個節(jié)點位移曲線

無板架加強結構的水密門門板最大位移0.0624m；設置板架加強結構的水密門門板最大位移0.0204m。無板架加強結構的水密門夾頭最大位移0.0624m；設置板架加強結構的水密門門板最大位移0.0296m?？梢姲寮芗訌娊Y構有效地減小水密門整體最大位移，使水密門承受空爆載荷沖擊而不引起與艙壁結構的脫開。

5 結語

1）依據(jù)現(xiàn)有設備抗沖擊標準可明確設備抗沖擊等級、設備需要滿足的抗沖擊要求，參考前聯(lián)邦德國國防軍艦建造規(guī)范BV043/85中不同安裝部位采用的沖擊環(huán)境數(shù)據(jù)，可將沖擊反應譜轉換到正負三角波載荷，實現(xiàn)從頻域到時域上的轉化，為仿真實時模擬提供輸入載荷考核艦船設備抗沖擊性能，為艦載設備抗沖擊分析、優(yōu)化設計提供技術路徑。

2）水密門結構在爆炸沖擊過程中的沖擊響應為：門板作為迎爆面首先受沖擊波壓力作用后撞擊艙壁前表面后壓縮，沖擊波壓力過后門板彈離艙壁，整個沖擊過程未發(fā)生結構破壞；夾頭構件受到門板傳遞的應力波作用，隨后在門板彈離艙壁過程中撞擊艙壁背爆面表面之后應力進一步增大導致不同程度塑性變形。門板后附連的板架結構有效限制了門板的位移響應，同時起到加強門板強度的作用，分擔了沖擊載荷。

3）通過對應力云圖分析可得出不同結構水密門最大應力位置規(guī)律：無板架加強結構的水密門均為夾頭構件及門板邊框上的單元，且位于長邊處的夾頭構件單元最大應力大于短邊處的夾頭構件單元最大應力，長邊處的夾頭構件中，中間的夾頭構件單元應力最大。設置板架加強結構的水密門則主要發(fā)生在板架結構及部分夾頭構件上的單元。

4）將不同時刻兩種結構水密門整體、夾頭構件、門板構件最大應力值分別連接繪制成曲線，發(fā)現(xiàn)無板架加強結構的水密門整體結構不同時刻最大應力值曲線可分為前后兩段，前段曲線與門板前段曲線變化規(guī)律十分一致，后段與夾頭構件最大應力曲線十分一致，說明前段沖擊載荷作用階段最大峰值應力大部分發(fā)生在載荷直接作用的門板處，而后段結構響應階段最大峰值應力大部分發(fā)生在夾頭構件上，這與水密門整體先由門板遭受沖擊，后反向運動夾頭構件承受力的物理過程相一致；而設置板架加強結構的水密門整體結構不同時刻最大應力值曲線與夾頭構件最大應力曲線十分一致，說明板架加強結構有效承擔了爆炸沖擊載荷，可以有效地減小水密門門板最大應力值，水密門整體結構不同時刻最大應力值由夾頭構件決定。

5）兩種結構水密門塑性應變大于0.01的部位主要發(fā)生在夾頭構件與門板聯(lián)接作用的螺孔處、與艙壁結構接觸的尖端處，其他大部分結構塑性應變很小，因此設備安裝連接結構是抗沖擊設計要關鍵考慮的問題。對比兩種結構形式的水密門最大應變可知板架加強結構可以有效地減小水密門整體最大應變值，兩種結構形式的水密門最大塑性應變均不超過0.28，可認為均未發(fā)生結構破壞。

6）無板架加強結構的水密門門板最大位移0.0624m；設置板架加強結構的水密門門板最大位移0.0204m。無板架加強結構的水密門夾頭最大位移0.0624m；設置板架加強結構的水密門門板最大位移0.0296m?？梢姲寮芗訌娊Y構有效地減小水密門整體最大位移，使水密門承受空爆載荷沖擊而不引起與艙壁結構的脫開。