水下爆炸近距气泡作用下船体箱型梁损伤特性数值模拟方法研究

度不 足 ， 导致船 体结 构整 体 毁伤 破 坏 ， 会 因此研 究 气 泡 对水 面船体 结构 的损伤 和破 坏具 有重要 意 义 。
性 的仿真 方法 ， 冲击 因子 为 ０ ２ ６的典 型试 验 工 况 对 ．３
进行 数值模 拟 ， 析 了箱 型 梁 在 近 距 气 泡作 用 下 的破 分 坏机 理 ， 将数 值计算 结果 与试验 结果 进行对 比。 并
中 图分 类号 ：Ｕ ６ ． ３ ６ １４ 文 献 标 识 码 ：Ａ
作用 在船体 结构上 的水 下爆 炸 载荷 一 般 分 为 冲击 波 载荷 和气泡 脉 动 载 荷 ， 冲击 波 发 生 时 问早 ， 压 大 ， 峰
持续 时 间短 ， 气泡脉 动 发生 时 问相 对 较 晚 ， 而 峰压 小 但 冲量大 ， 载 荷 具 有 周 期 性 ， 且 由于 两 者 时 间 尺 度 的 不
１ 船 体 箱 型 梁 模 型
实船 试验研 究 表 明 ， 下 爆 炸 近距 气 泡 对舰 船 的 水 毁伤 过程 与舰 船 的一 阶振 型较 为相 似 ， 时 考 虑 到实 同
对于气 泡脉 动载荷 作 用下 船 体 结构 响应 的数 值模
拟相 关文献 还不 多见 。Ｍ．Ａ ａ ｉ １ 薄板 在水 下爆 炸 ｒｍ ＿ 对
振
动
与
冲
击
第２ ９卷第 ４期
Ｊ ０ＵＲＮＡＬ ＯＦ ＶＩ ＢＲＡＴ ＯＮ ＡＮＤ Ｓ Ｉ ＨＯＣＫ
水 下 爆 炸 近 距 气 泡 作 用 下 船 体 箱 型 梁 损 伤 特 性 数 值 模 拟 方 法 研 究
袁 建 红 ，朱 锡 ，张 振 华
４０３ ） ３０ ３
（ 军 工 程 大 学 船舶 与 动 力学 院 ， 汉 海 武
载荷 下 的结 构 响 应 进 行 了 系列 试 验 ， 并用 显 示 积 分 程 序及 边界元 方 法 对 结 构 的 响应 进 行 了分 析 ； 玉 节 等 李
人 口 采 用改进 的无 量纲基 本方 程 描 述水 下 爆 炸气 泡 脉 动 流体载荷 将舰 船视 为一根 Ｖ ｒｏ ｅ ｎ变截 面梁利 用切 片 ｎ
船在 水下 近距气 泡作 用下 总 纵强 度 的 动力 损伤 特 点及 其 主要影 响 因素 ， 以某实 船 为例 ， 动力 学 相似 原 理设 按
计 了缩 尺 比为 １ ５ ： ０船 体 箱 型 梁 模 型 ， 图 １所 示 ， 如 该 船体 箱 型 梁 模 型 的 刚 度 和 质 量 分 布 与某 实 船 基 本 相
结构 简化 为一 根 变 截 面 的梁 ， 半 经 验公 式 描 述 流 ， 虑到 海 底 、 用 Ａ 考 自 由面反射 波 的作 用 ， 算 了潜 艇 在 不 同 的爆 炸 情 况 下 计
似， 船体 箱型 梁模 型 的一 阶 固有 频 率 与 实 船 的 一 阶 固 有频 率相 似 ， 型 梁模 型采 用 Ｑ ３ 箱 ２ ５钢 ， 主 要 参 数 如 其 表 １ 示 ， 型 吃水为 ４ ｍ，通过 数值计 算得 到箱型 所 模 ０ｍ ， 梁模 型 的一 阶垂 向干模态 频率 为 ４ ． ， 阶垂 向湿 ６ ７Ｈｚ一
模型， 欧拉水域中考虑静水 压力场 ， 采用开放式流场边界技术处理流 场边界 ， 用 自适应 网格 技术处理多材料 多欧拉域 ， 应 引入修正 的冲击波压力场对冲击波作用阶段进行修正 。对冲击因子为 ０ ２ ６的典型试 验工况进 行数 值模拟 ， ．３ 分析 了箱 型 梁在近距气泡作用下 的破坏机理 ， 并将数值计算结果与试验结 果进行对 比 ， 结果表 明 ： 船体结 构与气泡相互作 用规律 、 船
体 结 构 的破 坏 模 式 及 典 型 部 位 的应 变 时 程 曲线 与 试 验 结 果 吻 合 良好 ， 者 误 差 在 ２ ％ 以 内 ， 方 法 为 利 用 数 值 手 段 研 究 两 ５ 该 爆 炸气 泡 对 整 船 的毁 伤 特 性 提 供 了一 个 有 效 的解 决 途 径 。 关键 词 ：水 下 爆 炸 ； 泡 脉 动 ； 体 结 构 ； 值 模 拟 气 船 数
摘 要 ：为了研究水下爆炸近距气泡作用下船体结构损伤特性的数值模拟方法 ， 以某实船缩比试验模型——箱型
梁 为仿 真 对 象 ， 用 Ｍ Ｃ— Ｙ Ｒ Ｎ 非线 性 瞬 态有 限元 分 析 软件 ， 立 了船 体 箱 型 梁 在水 下 爆 炸 近 距 气 泡 作 用 下 的仿 真 应 Ｓ Ｄ ＴＡ 建
理论 得到其 运 动方 程 ， 后采 用 Ｎ ｗ ａｋ法 求解 ， 究 然 ｅｍｒ 研 了水 下爆 炸气 泡 脉 动 压 力 激起 的船 体 鞭 状 运 动 ， 算 计 结果 与试验 结 果 吻 合 良好 ， 在计 算 过 程 中 没 有 考 虑 但 冲击 波 的作 用 ； 海 和 刘 建 湖 等 将 潜 艇 的 耐 压 壳 体 董
同 ， 般分 为 冲击 波 和 爆 炸 气 泡 两个 作 用 阶 段 分 别 进 一 行研 究 。国 内外 对船体 结 构在 一 次 脉 冲载 荷作 用 下 结 构 响应 的数 值 研 究 已开展 了不 少工 作 ； 于 水 下 爆 炸 由 产生 的气泡 冲量 大于 冲击 波 冲量 ， 气 泡 的脉 动 阶段 ， 在 当气 泡脉 动频 率 与 船 体结 构 的 固有 频 率 相 当 时 ， 下 水 爆炸 载荷容 易 使 船 体 产 生振 荡 ， 如果 此 时船 体 总 纵 强
Ｆ Ｍ 耦合 ， Ｅ 研究 水下 爆 炸 气 泡 与 复 杂 弹塑 性 结 构 的相 互 耦 合 作 用 ， 总 结 相 关 规 律 ， 到 了 一 些 有 益 的 并 得
结论 。
本文 以典 型船体 结构 的简化 模 型 一箱 型梁 模 型 为 对象 ， 采用 有 限元软 件 Ｍ Ｃ—Ｄ Ｔ Ａ 对 近 距 气 泡作 Ｓ Ｙ Ｒ Ｎ， 用下 的船 体结 构 损 伤 特 性 数值 仿 真方 法 进 行 研 究 ， 得 到采 用有 限元方 法研 究水 面 船体 结 构 近距气 泡 损 伤特