1、探讨大开口对船体结构抗冲击性能的影响摘要:本文通过具体的数据和变化曲线介绍了大开口对船体结构抗冲击性能的影响，分别从舰艇抗冲击数值仿真工况选取分析、仿真模型计算应力点选取分析、相对应力的定义与说明、大开口结构强度数值仿真分析等方面加以具体说明，为船体的相关设计提供了借鉴 关键词:舰艇; 抗冲击; 结构大开口; 结构强度; 应力储备系数 中图分类号：C37 文献标识码：A 文章编号： 舰艇在执行战略战术任务过程中难免会遭到敌方反舰武器攻击，其中鱼雷、水雷、炸弹等武器会引起舰艇的水下非接触爆炸冲击损伤。目前，舰艇抗水下非接触爆炸冲击( 抗冲击) 研究的主要手段包括: 实船抗冲击试验、模型试验以及数
2、值仿真分析等。其中，由于数值仿真分析成本低廉、便于操作且精度基本可满足工程分析的要求，越来越受到研究者们的关注。在各种舰艇仿真分析技术手段中，大型商用有限元动力学分析程序( 如 ABAQUS、ANSYS /LS DYNA、MSC/DYTRAN 等) 越来越受到重视，并已被广泛应用于相关工程领域。 随着新技术的发展，舰艇对极端工况下的结构强度要求越来越高。极端工况下船体所要承受的外载荷包括极限风浪载荷、水中兵器对船体结构的作用、弹性/刚性体( 其它舰艇、礁石等) 的接触作用等。舰艇在设计过程中难免需要布置大开口结构，比如由于主机或武备的安装需要，水面舰艇的中部或其他部位的船体主甲板上可能有很大的
3、开口，其中有些开口的宽度甚至达到该处甲板宽度的一半以上，深度可以延伸数层甲板。这些大开口结构将严重影响舰艇的总纵强度和局部结构稳定性。尤其是舰艇的主甲板，其作为船体结构的主要承力构件，当遭受水下非接触爆炸冲击后，受到拉伸和压缩的交变载荷作用，甲板大开口处就会产生应力集中现象，特别是在大开口角隅处，应力集中现象尤为显著。本研究利用大型商用有限元动力学分析程序 ABAQUS，采用声固耦合技术，以船体结构大开口角隅处为考核点，分析不同海况静水弯矩条件下，舰艇大开口结构受到水下非接触爆炸冲击载荷作用时动力学响应。 1 舰艇抗冲击数值仿真工况选取分析 本文所选取的水下爆炸计算工况: 1 000 kg T
4、NT 装药，壳板冲击因子 0 72，爆源攻角 30，攻角形式如图 1 所示。 图 1 舰艇冲击响应分析舷侧攻角示意图 根据国内外研究成果，1 000 kg TNT 装药在约 30 m 或更深的水域才会出现气泡脉动现象，而 1 000 kg TNT 装药在距船壳 30 m 远处爆炸时，气泡脉动现象对舰艇产生的破坏作用也相当大，因此，当装药爆心所在处的水深超过 30 m 时，必须考虑气泡脉动对舰艇的破坏效果，图 2 给出了装药在舰艇正下方 30 m 处船体主甲板结构大开口处的应力时历曲线，由图 2 3 可知，气泡脉动阶段的压力峰值比冲击波阶段更大。 上述情况是在静水条件下，计算分析舰艇在遭受到气泡
5、脉动载荷后，船体结构大开口处的应力响应。事实上，当舰艇遭受到水下非接触爆炸冲击波载荷、气泡脉动载荷以及波浪弯矩联合作用的时候，船体结构有可能会出现更大地冲击响应。下面以 6 级海况为例，计算分析此时船体中横剖面主甲板处的拉压应力，计算结果如图 4 所示。 从上述曲线可以看出，舰艇船体结构总纵强度在波浪和气泡载荷联合作用下更危险。因此，本文在舰艇总纵强度抗冲击性能校核时考虑了波浪与气泡脉动载荷的联合作用。 2 仿真模型计算应力点选取分析 本文以某型舰艇 01 甲板为例，分析应力计算考核点的布置情况，如图 5、6 所示。 3 相对应力的定义与说明 为表示不同屈服强度材料的动力特性，定义相对应力系数
6、作为校核参数，有 n = N* s( 1) 式中: n 为应力安全储备系数; N 为计及应变率的屈服应力的提高系数; s 为校核单元的静态材料屈服应力 ; 为校核点处的 MISES 应力。 下面将具体介绍屈服应力的提高系数 N 的选取方法。 设舰艇大开口处的加强板采用静态屈服应力为 s，选用 Cowper-Symonds 应变率强化模型 N = ds= 1 + (D) 1p( 2) 式中: d 为动态应力; s 为静态屈服应力; ? 为应变率; D 为常数。以上图 6 中的参考点 1 为例，经数值仿真分析得到其应变时历曲线，如图 7 所示。 将图 7 的应变时历曲线对时间求取一阶微分，可得参考
7、点 1 处单元的应变率时历曲线，绘制该曲线峰值的包络，如图 8 所示。 图 8 参考点 1 处的应变率及其峰值包络图时历曲线 设峰值包络曲线函数为 g( t) 图 9 显示了 f( t) /t 随时间的演化历程。 图 9 f( t) /t 的时历曲线 从图 9 中 f( t) /t 的时历曲线上取极大值，为此爆距下的应变率?，代入式( 2) 中可得到不同爆距下动态屈服应力提高系数 N，详见图10 所示。 图 10 动态屈服极限提高量与爆距关系示意图 将上述动态屈服极限提高系数值 N 代入式( 1) 中，可得到安全应力储备系数 n 的取值。 4 大开口结构强度数值仿真分析 本文建立了某型舰艇全舰
8、抗冲击有限元分析模型，拟计算分析的不同海况，对舰艇船体结构大开口部位角隅处冲击应力响应进行分析。分别计算爆心作用在舰艇船舯位置处，攻角为 90和 30，爆距为 50 m 和 70 m 工况下，舰艇大开口参考点处的应力储备系数 n。图 11 为静水弯矩作用下，01 甲板上 4 个参考点处的应力储备系数 n，由此可见在静水弯矩作用条件下，无论是参考点 1 或 2，在 50 m 爆距下对爆源攻角不敏感，应力储备系数基本相等; 而参考点 3，则为 50 m 爆距、30攻角工况下，其应力储备系数小于爆源为 90攻角的情况; 参考点 4 则正好相反，其在攻角为 90工况下的应力储备系数小于攻角为 30的情
9、形。图 11 静水弯矩工况下参考点 1 处应力储备系数通过上图 11 图 15 可以发现，对于本文所取的 4 个参考点，在 70 m 爆距、90攻角的工况下，其应力储备系数最大。由于应力储备系数是应力无量纲化的反映，对船体结构同一开口处不同的角隅点，其应力大小也不尽相同。因此在船体结构的大开口部位进行抗冲击设计与评估过程中，需要针对不同工况，分别计算分析不同角隅点处的冲击应力响应，防止出现遗漏的角隅点。 5 结论 本文利用大型商用动力学分析程序 ABAQUS，建立了全舰抗冲击仿真分析模型，通过对船体结构大开口部位角隅处在不同静水弯矩作用条件下安全储备系数的数值仿真分析，得到如下结论: 1) 随
10、着爆距的增加，船体结构大开口部位角隅处冲击应变率逐渐减少，其动态屈服极限呈逐渐减少的趋势。 2) 相同爆距条件下，水下装药在舰艇舯部发生爆炸，对大开口结构角隅处的冲击应力响应影响更为明显，其次分别予足够的重视。 3) 对于相同爆距，静水弯矩工况下的安全储备系数一般大于船体结构在六级海况下承受波浪弯矩情形下的安全储备系数。这说明了波浪弯矩导致舰艇出现中拱或中垂，会加剧结构大开口部位角隅处的应力集中现象。 参考文献: 1 张振华潜艇结构水下抗爆能力研究 D 武汉: 海军工程大学，2006 2 刘建成，顾永宁 大开口船舱口角隅应力集中问题研究J 船舶工程，2000( 6) : 9 12 3 李良碧，
11、李永正，尹群大开口船舶扭转强度及结构加强方式研究J 船舶，2005( 4) : 26 29 4 王伟，吴梵国内船舶结构稳定性研究进展J 船舶工程，2010，32( 2) : 5 9 5 张健，尹群提高大开口船舶弯扭组合强度的方法研究J 船舶工程，2006，170( 1) : 4 7 6 陈新，张世联 艏艉形式对大开口船舶扭转特性的影响研究J 中国海洋平台，2006，21( 4) : 23 27 7 张宇力，曹广武，段洪，等 大开口对船舶板架稳定性和极限承载力的影响J 华中科技大学学报，2002，30( 5) : 56 58 8 胡毓仁，陈伯真 大开口船舶的扭转极限状态J 上海交通大学学报，2001，35( 4) : 556 561
