基于ABAQUS软件的舰船水下爆炸研究

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·３８·哈尔滨工程大学学报第２７卷

限元动力分析软件（例如ＡＢＡＱＵＳ、ＬＳ—ＤＹＮＡ、ＭｓＣ／ＤＹＴ础Ｎ等），这使得有限元仿真成为计算舰船冲击响应的切实可行的办法．ＬＳ—ＤＹＮＡ和ＤＹＴ砘气Ｎ在分析舰船水下爆炸过程中均采用√蛆点算法，而ＡＢＡＱＵＳ采用声固耦合方法．ｍ正算法用状态方程描述流体和炸药，通过欧拉单元计算冲击波的传播过程；而声固耦合算法采用一种声学介质来描述流体，冲击波在声学单元中传播．国内用ＡＩ点算法研究水下爆炸的文献比较多［１ｑＪ，文中采用声固耦合方法模拟舰船水下爆炸．

１水下爆炸特点

首先简单的介绍一下水下爆炸气泡的形成，水下爆炸一般呈现２个阶段，冲击波阶段和气泡脉动阶段［４］．在冲击波阶段，冲击波波头具有突跃的特点，幅值迅速达到最大，突越后紧接着近似于按指数规律衰减，衰减持续时间不超过数毫秒；当冲击波过后，水下爆炸进入气泡脉动阶段，爆炸的气体生成物（气泡）由于惯性的作用，以逐渐衰减的速度继续膨胀，气泡内压力不断减少直到小于环境压力．当气泡半径达到最大时，此时气泡内部压力最小，气泡开始收缩．由于此时环境比气泡内部压力大得多，气泡半径迅速缩至最小，随后气泡又开始膨胀，向外流场辐射二次压力波．在气泡半径第二次达到最大时，气泡又开始收缩．同样的膨胀收缩重复好几次．在气泡脉动期间，由于浮力的作用下气泡不断往上升，当气泡到达自由表面时气泡破灭，形成水冢．在冲击波阶段，水下爆炸容易造成舰船结构局部板的严重破损；在气泡脉动阶段，水下爆炸容易使船体产生振荡，从而造成严重的总体结构破损．并且，气泡脉动的周期、最大半径与药包的爆心和装药量有一定的关系．

２爆炸载荷作用下舰船的总体响应文中以某Ｉ型水面舰船为例分析舰船在爆炸载荷（包括冲击波载荷和气泡脉动载荷）作用下舰船的响应．计算的坐标系统为：原点为中纵剖面、中横剖面和基线的交点，ｚ轴正向指向船首方向，Ｙ轴正向指向左舷方向，ｚ轴正向为铅直向上，其有限元模型如图１所示．

鉴于仿真计算的实船模型节点个数达到了数十万个，要想将气泡作用的响应现象计算出来，至少在时间步上设置为１Ｓ，这样的计算量是极其巨大的，在目前的硬件条件下难以实现．于是将船体简化为一个箱形梁，内部设３层甲板，３个纵壁，３个横壁，通过调节各板厚，根据结构动力学相似原理，使得该箱形梁一阶垂向总振动频率与实船保持一致，均为１．１ＦＩｚ．所建立的箱型梁有限元模型如图２所示．

图１Ｉ型舰实船有限元模型

Ｆｉｇ．１Ｍｅｓｈｉｎｇｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ

ｍｏｄｅｌｏｆ１ｗａｒｓｈｉｐ

图２箱型梁有限兀模型

Ｆｉｇ．２Ｍｅｓｈｉｎｇｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓｉｍｐｌｅｍｏｄｅｌｏｆ１ｗａｒｓｈｉｐ

２．１水下爆炸威力与气泡脉动频率之间的关系众所周知，当激励力频率与结构的固有频率接近时，就会引起结构共振，此时结构的破坏最为严重．通过公式Ｔ：２．１１罢芸ｂ３（ｗ为药包的装药量，ｋｇ；Ｚ。为药包与自由液面的垂直距离）可以估算出炸药爆炸后形成的气泡脉动周期．为了研究不同药包在不同水深爆炸时形成气泡脉动载荷对船体总纵强度的影响，假设一系列工况，药包均设置在船体的中下方，以考核该舰中横剖面的应力变化．定义：

口＝了Ｊ０，（１１

Ｊ

卢＝丁．Ｄ１，（２）

∑ｓｉ

ｓｍ２｝·（３）式中：＾为气泡脉动压力的频率，＾舰船一阶垂向

固有频率，ｓ，为仅冲击波载荷作用下舰船中横剖面

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第１期姚熊亮，等：基于ＡＢＡＱＵＳ软件的舰船水下爆炸研究

（ａ）中拱状态的变形图

（ｂ）中垂状态的变形图

图８船体在气泡载荷作用下处于中拱和

中垂状态的变形图

Ｆｉｇ．８Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｎｅｐｈｏｇｒａｍｏｆｔｈｅｗａｒｓｈｉｐ’ｈｕｌｌａｆｔｅｒｔｈｅｌｏａｄｓｏｆｔｈｅｂｕｂｂｌｅｄｙｎａｍｉｃｓ

性叠加，其中为极限弯矩，为静水弯矩，为波浪弯距，为抨击弯矩，为气泡弯矩，记，校核结果如表１所示，为保密起见，表中弯矩均以无量纲化．

表１船体总纵强度校核表

Ｔａｂｌｅ１Ｃｈｅｃｋｉｎｇｔｈｅｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆｔｈｅｈｕｌｌ

ｏｆｔｈｅｗａｒｓｈｉｐ

从表１中可以看出在静水条件下，舰船在气泡脉动载荷作用下船体中横剖面处的总强度已不满足要求，但是船体Ｌ／４剖面处的总强度满足要求，而在波浪中航行时，在气泡脉动载荷与波浪载荷联合作用下船体中横剖面以及Ｌ／４剖面处的总强度都不满足要求，所以在校核船体在气泡脉动载荷作用下的总纵强度的同时必须计入波浪载荷的影响．４结论

文中采用ＡＢＡＱＵＳ软件对舰船水下爆炸进行模拟分析，所得主要结论如下：

１）对于一定装药量的药包在浅水和深水域爆炸时气泡脉动载荷对船体总纵强度的影响比冲击波载荷对船体总强度的影Ｐ８ｄ，，只有在一定临界水深爆炸时，气泡脉动载荷对船体总强度的影响才比冲击波载荷对船体总强度的影响大；

２）药包爆心位置距船舯距离在１／１０船长范围内变化时气泡脉动载荷对船体总纵强度影响几乎不变；

３）气泡脉动对舰船的加速度响应影响很小，由气泡脉动引起的加速度只是冲击波引起的加速度的１／１０或更小；

４）校核船体在气泡脉动载荷作用下的总纵强度同时必须计人波浪载荷的影响．

参考文献：

［１］张振华．船舶在远场水下爆炸载荷作用下动态响应的数值计算方法［Ｊ］．中国造船，２００３，４４（４）：３６—４３，

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［２］张振华．水下爆炸冲击波的数值模拟研究［Ｊ］．爆炸与冲击，２００４，２４（２）：１８２—１８９．

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［３］邓文彬．基于ＤＹＴＲＡＮ软件的水下爆炸数值计算［Ｊ］．华东船舶工业学院学报，２００３，１７（６）：１１—１７．

ＤＥＮＧＷｅｎｂｉｎ．ＮｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｅｘｐｌｏｓｉｏｎｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｗｉｔｈＤＹＴＲＡＮｓｏｆｔｗａｒｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥａｓｔＣｈｉｎａＳｈｉｐ—ｂｕｉｌｄｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，２００３，１７（６）：１１—１７．

［４］库尔．水下爆炸［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９６０．

［５］刘建湖．舰船非接触水下爆炸动力学理论与应用［Ｄ］．无锡：中国船舶科学技术研究所，２００２．

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［责任编辑：郑可为］　万方数据