基于A(yíng)BAQUS的近距水下爆炸對艦艇的沖擊響應研究

摘要：艦艇非接觸水下爆炸沖擊響應是一個(gè)重要而復雜的問(wèn)題，對艦艇結構和設備抗爆抗沖擊的研究有著(zhù)重要的意義。運用有限元程序 ABAQUS對艦艇在近距離非接觸水下爆炸作用下的沖擊響應進(jìn)行了數值仿真，詳細給出艦艇沖擊響應的結果，由此獲得艦艇結構的應力響應、加速度響應和速度響應的規律，為實(shí)船抗沖擊試驗奠定了理論基礎。數值仿真所得艦艇響應規律與實(shí)際計算分析情況基本相符，為艦艇抗爆結構設計提供參考。

關(guān)鍵詞：水下爆炸;ABAQUS;聲-固耦合;沖擊響應;數值模擬

隨著(zhù)水中兵器的發(fā)展，水下爆炸的當量、沖擊持續作用時(shí)間及沖擊波強度明顯增強，水下爆炸載荷對艦艇結構的直接破壞作用越來(lái)越大，直接威脅著(zhù)艦艇的作戰能力和生命力，所以提高艦艇的抗沖擊性能成為一項迫切的任務(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)響應對提高艦艇的抗爆性能具有重要意義。

近年來(lái)，由于計算機硬件和軟件的高速發(fā)展，在研究水下爆炸問(wèn)題時(shí)數值計算方法得到越來(lái)越多的應用，許多學(xué)者對于船舶在水下爆炸作用下的沖擊響應進(jìn)行了數值模擬研究。2003年，張振華、朱錫、馮剛等提供了一個(gè)利用MSC/DYTRAN和FORTRAN聯(lián)合使用數值模擬水面船舶在遠距離水下爆炸載荷作用下動(dòng)力響應方法。同年，姚熊亮、侯健、王玉紅等利用ANSYS/LS-DYNA計算了船體在不同炸藥當量、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。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對炸藥水下爆炸作用下船體結構的動(dòng)態(tài)響應進(jìn)行數值模擬，得到艦船在水下爆炸下的響應規律，為艦艇的防護結構設計提供有力的依據。

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。坐標系的選擇：坐標原點(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，船體結構的單元類(lèi)型為殼單元和梁?jiǎn)卧?，結構的單元尺寸為0.5 m，該船體結構從底至上分別為底艙、平臺甲板、主甲板、艏樓甲板、駕駛平臺和羅經(jīng)平臺。水域的單元類(lèi)型為聲學(xué)單元，單元個(gè)數為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構半寬的6倍。水域用六面體聲學(xué)單元劃分網(wǎng)格，設置單元類(lèi)型為AC3D8R，共劃分三層，與船體結構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的數值模擬

2.1 水下爆炸試驗工況

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

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

在瞬態(tài)動(dòng)力分析中，ABAQUS自動(dòng)根據沖擊波載荷的數值大小對整個(gè)聲學(xué)場(chǎng)(即流場(chǎng))進(jìn)行初始化，這不僅是為了節省計算的時(shí)間，而且還可以防止沖擊波在傳播過(guò)程中的數值耗散或者失真。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(lái)計算水下爆炸載荷。本文只關(guān)注沖擊波載荷對結構的作用，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。爆點(diǎn)A的沖擊波壓力運用Geers-Hunter模型計算，其公式如下：

在t7Tc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，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)驗流體阻力系數，Vc為炸藥的初始體積，R為測點(diǎn)到氣泡中心的距離，根據以上公式能夠計算炸藥水下爆炸沖擊波到氣泡脈動(dòng)壓力的整個(gè)過(guò)程。

2.2 艦艇應力響應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(guò)其屈服極限的載荷時(shí)，可以認為材料是安全的，但是若材料受到的超過(guò)其屈服極限的載荷是一個(gè)長(cháng)期行為時(shí)，那么材料就要失去穩性而

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)生局部結構的扭曲變形，嚴重時(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)生塑性應變，并超過(guò)了材料的屈服極限產(chǎn)生破口，隨后沖擊波開(kāi)始由艦底板中心向上層和首尾兩側傳遞到艦艇結構的其他部位，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力和變形要遠遠大于艦艇其他部位的應力和變形，數值仿真的結果與實(shí)際計算

分析結果基本相符，對實(shí)船爆炸試驗的開(kāi)展具有較高的參考價(jià)值。