箱形梁结构船体水下非接触爆炸冲击环境分析|船体结构

来源:读书笔记 发布时间:2019-09-23 05:00:28 点击:

  摘要: 为研究箱形梁结构船体在水下非接触爆炸作用下的冲击环境,在船体中部范围内主要受力部位设置箱形梁,并与考虑箱形梁产生的质量变化而建立的等重船模进行对比,来描述箱形梁结构对冲击环境的影响.基于Abaqus中的声固耦合算法求解2种形式船体的冲击响应,以冲击谱为工具描述船体结构的冲击环境,并给出舱内甲板层的冲击环境分布. 分析归纳箱形梁的作用机理,为相关舰船设备的舾装与船体优化设计提供参考.
  关键词: 箱形梁; 冲击环境; 水下非接触爆炸; 声固耦合法; 冲击谱
  中图分类号: U663.2;TB115.1文献标志码: B
  引言
  冲击环境[1]的优劣是影响舰艇生命力的重要因素之一,其对舰船设备的正常运作和人员的安全性起着决定性作用,因此,如何改善冲击环境一直是关注的课题之一.
  除采用高新技术外,改善船体结构形式成为优化冲击环境最有效的途径之一.在这方面,世界海军强国早已投入研究多种形式的舰体结构.新型箱形梁船型[2]是一种较为创新的船体结构形式,在经过多年的研究投入后,西方强国走在世界的前列,德国已投产的F124萨克森级护卫舰(见图1)成为首款投入实用的箱形梁结构舰艇.
  图 1德国F124型级护卫舰结构示意
  为较为细致地了解箱形结构船体较等重原船对冲击环境的影响,以布置参考点的方式对2种船型各层甲板的冲击环境特性进行分析,并以冲击谱的形式描述2种船型各甲板的冲击环境,并归纳、总结箱形梁结构作用的方式和影响的有效范围.
  1计算模型
  有效的模型和精确的压力载荷是数值分析的基础,为此,本文验证计算模型的有效性,并给出计算使用的超压载荷经验公式.
  1.1几何模型
  首先通过对已有船型进行等比例建模,在此基础上进行局部结构的更改,经过多次计算比较后,最终完成箱形梁船体的模型.箱形梁并非独立结构,而是与支撑其的数道水密舱壁组成强框架体系,再加上装箱形梁结构后相互作用而成.箱形梁主要布置在上建第一层甲板上,独立的箱形梁与普通梁的区别不大,主要区别于为组成有效系统而进行的局部结构的优化改变.箱形梁船体和水密舱壁示意见图2.
  图 2箱形梁船体和水密舱壁示意
  船体模态,尤其是湿模态[3],反映船体质量和刚度分布的正确性,是进行船体分析的基本保证,故应首先验证船体湿模态.将船体湿表面和流场接触面定义为流固耦合的边界条件,模拟流场对船体带来的附连水效应,采用Abaqus中边界耦合验证实际船体低阶固有振型和频率.现对船体总振动影响大的前3阶湿模态进行计算对比,船体和流场耦合的有限元模型见图3.
  图 3船体与流场耦合的有限元模型
  经过计算,箱形梁船体、等重船体模型都与原设计值的1阶横向固有频率误差在4%以内,且2和3阶横向固有频率相对误差控制在10%以内;1阶垂向固有频率相对误差则在3%以内,且2和3阶垂向固有频率误差也控制在10%以内.数值结果初步验证计算模型的总体刚度分布、质量分布较为合理,将其用于计算能够保证结果准确.
  1.2冲击载荷模型
  爆炸载荷可由经验统计近似代替模拟值,将其用于数值仿真,其结果已得到工程实践的检验,证明是合适可行的.
  对式(2)进行编程,再考虑到在水流场中的传播特性,可以近似模拟冲击载荷在水中的传播过程.通过在INP文件中定义入射点的方式等,可将冲击波压力载荷加载到船体结构上.采用Abaqus中的流固耦合算法和显式积分法可实现水下爆炸下的船体响应.
  2工况设置
  箱形梁主要布置在01甲板上,为得出箱形梁对舰船结构冲击环境的影响,本文选取1 000 kg TNT当量药包,将冲击环境设定为龙骨冲击因子C=0.3,其定义见文献[6],并选取典型攻角的工况进行分析.
  由冲击因子得到同一横剖面内爆点到龙骨的直线距离R=1+sinβ2CW (4)式中:β为爆炸攻角.
  模型与药包相对位置示意见图4,计算工况见表1.
  3主要部位冲击环境分析
  3.1典型部位考核点
  箱形梁船(图表中简称为箱船)中剖面位置,不同甲板在相同纵向坐标下的考核点横向和垂向加速度曲线见图5,可知,船底结构响应具有峰值大、波形陡的特点.由于船底有基座和大型龙骨等强力结构,以及受到外流场耦合的作用,因而振动能量耗散迅速,加速度响应数值随着时间变化而急剧减小,底部多为高频响应,这与普通船体底部响应特点一致.
  上层甲板结构响应以低频为主,且高、低频部分混杂在一起.上甲板内部应力波可能在一定程度上激发板架的固有振型,导致以低频响应为主;高频响应则是由冲击波直接传播形成.由此可见,随着垂向位置的升高,结构冲击波影响逐渐减小,以低频响应为主导,其与无箱形梁结构船体的响应近似.
  3.2甲板冲击环境
  鉴于冲击谱[6]方法可以为冲击隔离的设计和冲击环境的模拟提供基本数据,因此本文选用冲击谱作为设备冲击环境的描述工具.它可直观地给出结构的绝对加速度.
  加装箱形梁的舰船势必带来船体刚度分布的变化,可通过比较2种船型相同部位响应值进行定量描述.本文主要对箱形梁船型与等重原船在3种工况下的冲击环境进行对比分析,对上建01甲板、强力1甲板、2甲板及船底板等设备运转和人员主要工作场所的冲击环境进行研究.
  箱形梁和水密舱壁组成的强力支撑构件在船长方向的布置,带来船整体刚度变化,反映在1甲板的谱值变化,表现出大的不规则性.由于01甲板艏艉部出现剧烈变化,在1甲板也会出现关联的变化,且由于力的相互作用,变化规律正好相反并带有一定距离的延迟性,幅值比01甲板有所下降.可以看出,在艏部的变化都要大于艉部,这是由于箱形梁端离艏部距离更大,出现刚度阶跃的时间更长.   (3)在1~3工况下,2种船型2甲板垂向谱加速度沿船长方向分布示意见图8.
  2甲板近似位于整个船体结构的几何中间地带,在箱形梁结构沿船长分布的范围内,加装箱形梁对该船长范围带来的影响不大.除艏部有小幅改善外,2种船型的冲击环境基本类似,主要由01甲板艏部刚度连续性的影响.结合上述因素考虑,2甲板的冲击环境主要决定于全船刚度分布和所处的几何位置.
  由对比可知,船底板的响应明显弱于2甲板,在0.5L和0.65L附近,箱梁结构对船底板的冲击环境有一定改善,但幅度不大.这是因为船底布置有主龙骨等强力结构,导致刚度和质量远大于其他结构,惯性力作用明显;加之底部高频作用显着,抑制船底结构响应.
  在冲击载荷最强的攻角90°工况下,给出箱形梁船相对等质量原船变化明显的冲击环境改变量和对应的无量纲船长位置,甲板数值变化量见表2.其中,“+”代表冲击环境改善,“-”代表冲击环境下降.由表2可知,从数值绝对变化量上看,各甲板艏艉部的变化最为剧烈;从变化相对量上看,以1甲板和01甲板的变化最明显,这是综合甲板所在位置的刚度、所受冲击载荷及惯性力等各因素影响的结果.
  置01甲板+21.8+33.0+51-381甲板-45-63+48+43+362甲板-34-19船底板+15+18
  2种船型在艏艉段的冲击环境比靠近舯部变化剧烈,这是由船的总体振荡决定的.箱形梁的直接作用是增加01甲板的整体刚度,并使处在整个箱形梁体系的甲板刚度整体出现变化,冲击环境整体改善;超出其沿船长分布范围的甲板部分,其冲击环境出现较为剧烈的变化,且以下降趋势为主.
  4结论
  通过对船体加装箱形梁结构进行研究,模拟箱形梁船和等重原船在相同工况下的冲击环境,并对这2种船型在同种工况下的多种结构进行对比分析,得出以下结论.
  (1)加装有箱形梁的船体响应趋势与普通船体类似,没有改变船体的整体特性;从变化量上看,冲击环境表现出甲板的定量特性.
  (2)由箱形梁船和等重原船的各甲板谱加速度值的特性可知,箱形梁改变船体的冲击环境主要是经过增加结构强度以及重新分配船体刚度实现的.
  (3)箱形梁对1甲板和01甲板的影响显着,对2甲板冲击环境的影响最小.这主要因为,2甲板大致位于船体几何中心位置,二甲板艏部的变化相当一部分是1甲板与01甲板船体刚度影响的延续.
  (4)由于船底布置有强力结构,惯性力作用明显,加之底部高频作用显着,底部结构响应较为平缓,箱梁对船底结构冲击环境影响较小.
  参考文献:
  [1]姚熊亮, 许维军, 梁德利. 水下爆炸时舰船冲击环境与冲击因子的关系[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2004, 25(1): 612.
  [2]李海涛, 张永坤, 张振海. 近场水下爆炸作用下箱形梁整体损伤特性研究[J]. 兵工学报, 2012, 33(5): 611616.
  [3]黄晓明, 朱锡, 牟金磊, 等. 整体结构模型低阶湿模态仿真计算方法[J]. 舰船科学技术, 2011, 33(5): 912.
  [4]REID W D. The Response of surface ship’s to underwater explosions[R]. DSTO: Aeronautical & Maritime Research Laboratory, 1996.
  [5]SMITH P D, HETHERINGTON J G. Blast and ballistic loading of structures[M]. London: ButterworthHeinemann Ltd., 1994.

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