基于ABAQUS的近距水下爆炸對(duì)艦艇的沖擊響應(yīng)研究

摘要：艦艇非接觸水下爆炸沖擊響應(yīng)是一個(gè)重要而復(fù)雜的問題，對(duì)艦艇結(jié)構(gòu)和設(shè)備抗爆抗沖擊的研究有著重要的意義。運(yùn)用有限元程序 ABAQUS對(duì)艦艇在近距離非接觸水下爆炸作用下的沖擊響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值仿真，詳細(xì)給出艦艇沖擊響應(yīng)的結(jié)果，由此獲得艦艇結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)、加速度響應(yīng)和速度響應(yīng)的規(guī)律，為實(shí)船抗沖擊試驗(yàn)奠定了理論基礎(chǔ)。數(shù)值仿真所得艦艇響應(yīng)規(guī)律與實(shí)際計(jì)算分析情況基本相符，為艦艇抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：水下爆炸;ABAQUS;聲-固耦合;沖擊響應(yīng);數(shù)值模擬

隨著水中兵器的發(fā)展，水下爆炸的當(dāng)量、沖擊持續(xù)作用時(shí)間及沖擊波強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，水下爆炸載荷對(duì)艦艇結(jié)構(gòu)的直接破壞作用越來越大，直接威脅著艦艇的作戰(zhàn)能力和生命力，所以提高艦艇的抗沖擊性能成為一項(xiàng)迫切的任務(wù)。炸藥在水中爆炸后會(huì)產(chǎn)生沖擊波，沖擊波作用時(shí)間短，但壓力幅值極大，往往能使艦船產(chǎn)生嚴(yán)重變形甚至破損。研究艦艇在水下爆炸沖擊波作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)提高艦艇的抗爆性能具有重要意義。

近年來，由于計(jì)算機(jī)硬件和軟件的高速發(fā)展，在研究水下爆炸問題時(shí)數(shù)值計(jì)算方法得到越來越多的應(yīng)用，許多學(xué)者對(duì)于船舶在水下爆炸作用下的沖擊響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。2003年，張振華、朱錫、馮剛等提供了一個(gè)利用MSC/DYTRAN和FORTRAN聯(lián)合使用數(shù)值模擬水面船舶在遠(yuǎn)距離水下爆炸載荷作用下動(dòng)力響應(yīng)方法。同年，姚熊亮、侯健、王玉紅等利用ANSYS/LS-DYNA計(jì)算了船體在不同炸藥當(dāng)量、起爆位置、有限元網(wǎng)格劃分時(shí)的沖擊環(huán)境，分析了船體在不同工況下的沖擊響應(yīng)。吳有生等研究了爆炸載荷作用下艦船板

架的變形與破損。在本文中，采用ABAQUS對(duì)炸藥水下爆炸作用下船體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到艦船在水下爆炸下的響應(yīng)規(guī)律，為艦艇的防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有力的依據(jù)。

1 某型艦艇有限元模型的建立

利用Pro/E軟件建立某型艦的幾何模型。坐標(biāo)系的選擇：坐標(biāo)原點(diǎn)為基平面與中縱剖面和FRO剖面的交點(diǎn)，X軸指向船首，Y軸指向左舷，Z軸豎直向上。利用Hypermesh軟件建立某型艦的有限元模型，船體結(jié)構(gòu)的單元類型為殼單元和梁?jiǎn)卧?，結(jié)構(gòu)的單元尺寸為0.5 m，該船體結(jié)構(gòu)從底至上分別為底艙、平臺(tái)甲板、主甲板、艏樓甲板、駕駛平臺(tái)和羅經(jīng)平臺(tái)。水域的單元類型為聲學(xué)單元，單元個(gè)數(shù)為349 812個(gè)。水域分為3個(gè)部分，采用中間為圓柱體、兩端為球體的形狀，由于該艦艇屬于表面船，所以中部為一個(gè)圓柱體的一半，兩端是相同半徑的球體的1/4，圓柱體和球體的半徑為船體結(jié)構(gòu)半寬的6倍。水域用六面體聲學(xué)單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，設(shè)置單元類型為AC3D8R，共劃分三層，與船體結(jié)構(gòu)相連的部分單元尺寸最小，向外逐漸變大。船體和水域的有限元模型如圖1所示。

2 某型艦艇水下爆炸沖擊響應(yīng)的數(shù)值模擬

2.1 水下爆炸試驗(yàn)工況

本文水下爆炸數(shù)值仿真的工況，采用300 kg的TNT球形炸藥，爆源位于艦艇船舯正下方5 m處。本文運(yùn)用ABAQUS/Explicit模塊來獲取艦艇的水下爆炸沖擊響應(yīng)，爆點(diǎn)在ABAQUS軟件中的相對(duì)坐標(biāo)為：(31，0，-5)，工況示意圖如圖2所示。

流體和結(jié)構(gòu)的相互作用是水下爆炸問題中的關(guān)鍵，ABAQUS基于表面使用“Tie”約束，通過線性動(dòng)量守恒將結(jié)構(gòu)的位移場(chǎng)和流體的壓力場(chǎng)耦合起來。在結(jié)構(gòu)和流體的界面處不需要網(wǎng)格的一一對(duì)應(yīng)，可以采用不同的網(wǎng)格密度，程序通過“Tie”約束自動(dòng)耦合進(jìn)行計(jì)算。本文中艦船結(jié)構(gòu)與水域的接觸方式采用聲-固耦合法，在ABAQUS中通過關(guān)鍵字Tie實(shí)現(xiàn)。水域邊界采用無反射邊界條件，以模擬無限水域。

在瞬態(tài)動(dòng)力分析中，ABAQUS自動(dòng)根據(jù)沖擊波載荷的數(shù)值大小對(duì)整個(gè)聲學(xué)場(chǎng)(即流場(chǎng))進(jìn)行初始化，這不僅是為了節(jié)省計(jì)算的時(shí)間，而且還可以防止沖擊波在傳播過程中的數(shù)值耗散或者失真。本文采用Geers-Hunter的水下爆炸集成沖擊波和氣泡脈動(dòng)的雙重漸近模型來計(jì)算水下爆炸載荷。本文只關(guān)注沖擊波載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，因此只要爆炸載荷加載時(shí)間明顯比氣泡脈動(dòng)周期小，那么氣泡脈動(dòng)載荷就可以忽略不計(jì)。爆點(diǎn)A的沖擊波壓力運(yùn)用Geers-Hunter模型計(jì)算，其公式如下：

在t<7Tc時(shí)(沖擊波階段)，沖擊波壓力為：

式(1)～式(4)中，mc和ac分別是藥包的質(zhì)量和初始半徑，Kc、K、k、r、A和B都是材料常數(shù)，ρc為炸藥的密度，ρf為流體的密度，cf為流場(chǎng)中的聲速，g為重力加速度，PI為爆心處流體靜壓，CD為經(jīng)驗(yàn)流體阻力系數(shù)，Vc為炸藥的初始體積，R為測(cè)點(diǎn)到氣泡中心的距離，根據(jù)以上公式能夠計(jì)算炸藥水下爆炸沖擊波到氣泡脈動(dòng)壓力的整個(gè)過程。

2.2 艦艇應(yīng)力響應(yīng)和艦底外板局部變形

若材料受到一個(gè)作用時(shí)間極短的超過其屈服極限的載荷時(shí)，可以認(rèn)為材料是安全的，但是若材料受到的超過其屈服極限的載荷是一個(gè)長(zhǎng)期行為時(shí)，那么材料就要失去穩(wěn)性而

斷裂。如圖3和圖4所示，在水下爆炸沖擊波載荷的作用下使艦體產(chǎn)生局部結(jié)構(gòu)的扭曲變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成艦體的破裂，本文中爆源位于艦底中部正下方爆炸，沖擊波會(huì)首先射到艦底，由于艦底外板受沖擊波載荷的直接作用，艦底板中心處首先發(fā)生塑性應(yīng)變，并超過了材料的屈服極限產(chǎn)生破口，隨后沖擊波開始由艦底板中心向上層和首尾兩側(cè)傳遞到艦艇結(jié)構(gòu)的其他部位，最后覆蓋到整個(gè)艦體。在水下爆炸沖擊波載荷的作用下，艦底外板中心處的應(yīng)力和變形要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于艦艇其他部位的應(yīng)力和變形，數(shù)值仿真的結(jié)果與實(shí)際計(jì)算

分析結(jié)果基本相符，對(duì)實(shí)船爆炸試驗(yàn)的開展具有較高的參考價(jià)值。[!--empirenews.page--]

2.3 船體加速度響應(yīng)和速度沖擊響應(yīng)

測(cè)點(diǎn)布設(shè)工況圖如圖5所示，艦艇底板中心測(cè)點(diǎn)垂向加速度和垂向速度時(shí)歷曲線如圖6所示。

從圖6(a)中艦艇底板中部測(cè)點(diǎn)垂向加速度時(shí)歷曲線可以看出，由于非接觸水下爆炸壓力波包含沖擊波和多次氣泡脈動(dòng)壓力，且受到與結(jié)構(gòu)的相互耦合作用的影響，其中氣泡膨脹產(chǎn)生的氣泡脈動(dòng)壓力的能量以低頻為主，沖擊波的能量主要集中在中高頻。圖6(b)中艦艇底板中心垂向速度歷程曲線可以看出，初始階段是沖擊波作用，之后在反射稀疏波作用下速度迅速下降，到0.12 s左右第一次氣泡脈動(dòng)作用開始，測(cè)點(diǎn)開始加速，氣泡脈動(dòng)對(duì)艦艇結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較明顯的作用。氣泡脈動(dòng)對(duì)艦艇的損傷在一些時(shí)候會(huì)比沖擊波更為嚴(yán)重。其原因是水下爆炸沖擊波壓力往往會(huì)造成艦船的局部損傷，而現(xiàn)代艦船的設(shè)計(jì)一般有足夠的強(qiáng)度來抵抗結(jié)構(gòu)的局部損傷。從另一方面來看，當(dāng)艦艇受到非接觸水下爆炸沖擊作用時(shí)，艦艇底板和底層甲板抵消了大部分的沖擊載荷，有效的保護(hù)了上層甲板和艙室中設(shè)備和人員的安全。

3 結(jié)論

本文運(yùn)用有限元程序ABAQUS對(duì)某型艦艇在近距離非接觸水下爆炸作用下的沖擊響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，有效解決了流固耦合和邊界條件的處理等問題，并詳細(xì)給出了某型艦艇遭受近距離水下爆炸后的沖擊響應(yīng)結(jié)果，獲得了艦艇的應(yīng)力響應(yīng)、加速度響應(yīng)和速度響應(yīng)的規(guī)律。數(shù)值模擬艦艇在非接觸水下爆炸作用下的沖擊響應(yīng)規(guī)律與實(shí)際計(jì)算分析結(jié)果基本相符，具有較高的可信度，為實(shí)船爆炸試驗(yàn)的開展提供參考。