非接触水下爆炸作用下舰船动态响应研究

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摘要： 运用有限元软件ABAQUS对舰船水下爆炸进行数值模拟，运用HHT变换分析了冲击响应信号。为舰船动态响应的分析提供输入条件，得到爆炸载荷作用下舰船关键部位的冲击环境。分析结果表明：冲击波响应分布的频带较宽，具有瞬时性和衰减快的特点，水下爆炸作用下舰船动态响应包含丰富的频率成分，易造成舰船结构的局部破坏；气泡脉动响应频率低，易造成舰船的整体破坏，响应频率接近舰船结构的固有频率，衰减慢，持续时间长。研究结果对于舰船生命力评估具有一定参考价值。

Abstract： Based on commercial finite element procedure ABAQUS to the structure numerical simulation of underwater explosion， we can obtain the essential part shock environment of structure under the shock function， which provides the input for the dynamic response analysis of warships. With HHT method a signal of typical part on a warship produced by non-contact underwater explosion is applied. The analysis result indicated that warship dynamic response contains a wealth of frequency components. Shock response to the distribution is of a wide-band， and it has a transient， fast and energy of high attenuation characteristics， which could easily lead to the partial destruction of structure. Pulsating bubble response is of low frequency， slow decay and long duration， and response frequency is close to warship natural frequency， which is easy to the overall damage to structure.Research results are valuable in evaluating the vulnerability of warships.

关键词： 水下爆炸；数值模拟；ABAQUS；动态响应；HHT变换

Key words： underwater explosion；numerical simulation；ABAQUS；dynamic response；Hilbert-Huang Transform

中图分类号：TB535 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）06-0299-03

0 引言

近年来，随着水中兵器的不断发展，水下爆炸载荷对舰船结构的直接破坏越来越大，水下爆炸载荷对舰船结构的直接破坏越来越大，提高舰船的抗冲击性能成为更加迫切的任务，直接威胁着舰船的作战能力和生命力。随着数值仿真计算软件的普及，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，国际上相继出现很多种大型有限元动力分析软件。采用ALE算法的是LS-DYNA和DYTRAN在分析舰船水下爆炸过程中实现的，而ABAQUS采用声固耦合算法。通过欧拉单元计算冲击波的传播过程，ALE算法用状态方程描述流体和炸药；而冲击波在声学单元中传播，ABAQUS声固耦合算法采用一种声学介质来描述流体。本文利用商业有限元程序ABAQUS，对水下爆炸压力时频分布进行了HHT分析，针对水下爆炸压力信号的特征，研究了舰船在水下爆炸冲击波作用下的动态响应，对于分析舰船在水下爆炸作用下冲击响应是必不可少的，因为这些都是隐含在信号中的重要信息。

1 有限元模型的建立

1.1 舰船和水域的有限元模型 姚熊亮等基于ABAQUS软件对水下爆炸载荷作用下水面舰船动态响应数值仿真的流场模型进行了系统地研究[1]，认为流场区域的半径取船体半宽的6倍（流场半径表示流场边缘到模型中心的最小距离），在船长方向略大于船长即可，并将流场底面边界设为无反射边界条件[2]。当然，文献[1]研究的是舰船垂直迎爆，本文在计算水下爆炸舰船冲击响应时，也充分借鉴其研究成果，计算水域采用六面体单元，由于主要考察船体中部结构的动态响应，为节约计算时间，水域中最靠近船体部位采用尺寸为0.6m的细网格[3]，离船体越远则网格尺寸越大、网格越粗，使用网格的单元类型为AC3D8R和AC3D6。

本文使用Pro/e三维建模软件，建立全船和水域的几何模型，然后运用HYPERMESH有限元建模软件建立全船有限元模型，建模的主要过程为：对船体外板划分面网格，最大单元尺寸为0.6m，使用单元类型为四节点四边形缩减积分单元S4R和三节点三角形完全积分单元S3，划分的同时调整网格，尽量减少三角形单元和质量低的四边形单元；创建不同板厚的板材属性，根据图纸为各面单元附属性；沿着切割后的各曲面边线创建梁单元，使用单元类型为B31；创建各骨材属性，附梁单元属性。计算的坐标系统为：原点为舰体的中纵剖面、中横剖面和基线的交点，x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。

1.2 数值仿真结果 运用ABAQUS对舰船进行全船冲击响应的数值模拟，工况为400KgTNT炸药，爆炸距离为80m，炸药位于舰船中部正下方，分析水下爆炸给舰船结构动态响应带来的影响，以垂直迎爆方式对舰船进行水下爆炸攻击，计算工况如图2所示。

舰船结构发生振动，从而导致结构会产生一定的加速度，水下爆炸所产生的冲击波直接作用于舰船结构上，图3为计算工况下舰船外底板正中心位置（坐标为（80，0，0））爆点处的加速度时域曲线，受到与结构的相互耦合作用的影响，图3为计算工况下舰船外底板正中心位置（坐标为（80，0，0）），水下爆炸压力含有丰富的频率成分，冲击波的能量主要作用在中高频[4] ，气泡膨胀产生的气泡脉动压力的能量以低频为主。舰船结构振动过程比较复杂，只在特定点存在短暂的高频振动，但还是能够定性地看出舰船主要以低频振动为主。

2 舰船冲击响应数值模拟信号的HHT变换

为了提取信号的细节特征，根据信号自身特点来进行分解，本文对冲击响应信号进行经验模式分解[5]，分解得出10个IMF分量（c1-c9）和一个余量（r10），结构的冲击波响应伴随各阶分量的始终，频率比较丰富，从图4中可以看出随着分量阶数的增加，频率逐渐降低，说明冲击响应总体上以低频为主。但在c1～c2的高频段幅值较低，而在中低频段幅值较高，而气泡脉动响应在高频段几乎没有反应，中频段反应也较小，余量并不是分解出来的信号，它代表了整个信号的变化趋势，而是不能再进行EMD分解的一个残余量[6]，只有在低频段有所反应，这与气泡脉动低频特性相吻合。

3 结论

在非接触水下爆炸作用下对某型舰艇进行了数值模拟，运用有限元软件ABAQUS，为舰船动态响应的分析提供了输入条件，得到水下爆炸载荷作用下舰船关键部位的冲击环境。由于HHT方法不受Heisenberg不确定性限制，是分析水下爆炸冲击响应信号的有效方法，不存在时间分辨率和频率分辨率的相互矛盾，研究结果对于舰船生命力评估具有一定参考价值，通过分析得到了舰船动态响应的时频分布规律。

参考文献：

[1]姚熊亮，张阿漫，许维军，汪玉.基于ABAQUS软件的舰船水下爆炸研究[J].哈尔滨工程大学学报，2006，27（1）：37-41.

[2]WOVAK D B. Modeling Submerged Structures Loaded by Underwater Explosions with ABAQUS/Explicit [C].ABAQUS Users’ Conference. 2002.

[3]姚熊亮，徐小刚，张凤香.流场网格划分对水下爆炸结构响应的影响[J].哈尔滨工程大学学报，2003，6（3）：238-244.

[4]温华兵，尹群，张健，等.水下爆炸船舱冲击响应时频特征的小波包分析[J].工程力学，2008，25（6）：199-203.

[5]姚熊亮，张阿漫.经验模态分解方法在结构冲击信号分析中的应用[J].中国舰船研究，2008，1（4）：11-15.

[6]陈子雄，吴琛，周瑞忠.希尔伯特—黄变换谱及其在地震信号分析中的应用[J].福州大学学报，2006，34（2）：260-264.