水下爆炸静态船体构建比较
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本文作者：边文凤 吴忠友 白光辉 苗会文 单位：哈尔滨工业大学(威海)土木工程系 中复西港船艇有限公司 中航光电科技股份有限公司
水下爆炸对船体的作用，是特种船艇必须研究的问题。刘建湖应用舰船非接触水下爆炸动力学的理论，研究了声学材料流固相互问题[1]；Jong-ChulKim等做了船体模型实验，得出了船体在水下爆炸载荷下的响应结果[2]；罗超等应用声固耦合算法模拟整船的水下爆炸响应[3]；陈永念等采用MSC.Dytran有限元程序研究了某型水面舰船在水下爆炸冲击波载荷作用下的动态响应，并从结构的变形损伤形式、能量吸收和冲击环境等几个方面研究了舰船结构在水下爆炸载荷作用下的破坏机理和响应特征[4―5]；姚熊亮等计算了船体在不同炸药当量、起爆位置、有限元网格划分时的冲击环境，分析了船体在不同工况下的冲击响应[6]；严波等对舱室爆炸载荷作用下舷侧防护结构的响应进行了研究[7]。在工程上分析水下冲击造成的船舶时程动态响应[8]，第一种方法采用流固耦合方程表征爆炸波作用在船壳上的负荷以及壳体运动引起流固耦合界面上动态载荷的变化，对船体周围的流体不需要做详尽的模拟。这实际上是有限元/边界元方法混合方法。第二种方法的有限元模型包括了船体周围的流体、传播着的冲击波和船体结构，因此模型相当大，计算量巨大。本文按照Cole和Zamyshlyayev提出的有关方程，对爆炸冲击载荷进行静态等效转换。在相同炸药量，相等距离的情况下，对船体进行正前方爆炸和正侧面爆炸的等效爆炸载荷计算，并对相对危险的一种情况进行分析。
1载荷计算与选型原则
1.1载荷计算按照选型的前提条件，5种不同结构船体的重量是大体相同的，如表1。为集中力或者面压力的形式添加到有限元模型上，本文将这类载荷简化为面压力。
1.2等效爆炸载荷本文对船体进行正侧面爆炸研究。爆炸对船体的作用一是直接压力，另一个是加速度。而且，不仅仅是船体有加速度，质量也产生加速度。即：爆炸也改变附连水的动量和动能。根据文献[9]的原理方法，所确定的面压力见表2。
1.3选型原则根据船体的使用要求、功能要求及以往的设计经验，文献[10]建立了选型标准、选型途径、选型前提条件、选择结构类型和比较对象。经过实践应用，此原则可行，本文也采用之。
2有限元计算与结果分析比较
2.1船体建模根据总体尺寸及型值表，建立三维有限元模型。模型主要采用板壳(shell)单元和梁(beam)单元。板壳单元主要模拟船体的外壳、各甲板及舱壁。本模型中以四边形单元为主，在形状变化较大处或连接处使用三角形单元。梁单元主要模拟各桁架及加强筋。按照以上原则，由于5种结构不同船体的型线相同，本文对网格的划分也趋于一致，只是材料属性定义，以及梁单元的截面尺寸和位置不同。
2.2响应值的单项比较根据文献[10]的结构选型原则进行研究。综合比较中需要分析对象的一些比值，此时，取双向加筋结构为比较基准，其值为1。1)应力对比与强度分析。5种结构最大主应力、最大剪应力如表3。根据TsaiSW最大能量准则：真空灌注成型，=Bx300MPa；=By300MPa；Bxy=150MPa。利用式(1)计算艇体上具有代表性的结点应力，各结构的多项式最大值见表4。2)横截面位移包络面积。横截面位移包络面积大小表征吸收能量的能力。中横剖面处位移包络面积比值见表5，A依据原始计算的位移数据；B依据上甲板和船底中心固定的位移数据；C依据船底中心固定的位移数据。3)应变值。材料相同时，应变比值越小，距离破坏越远。采用应变比值倒数表示结构性能，比值倒数越大性能越好。最大应变值比值倒数如表6。并且这5种结构的应变值均远小于极限应变εx=0.004，硬壳式结构为最小。4)垂向挠度和横向挠度。图1表示5种不同结构船体中线面上基线结点的z向变形曲线。可以看出，硬壳式结构z向挠度图2表示5种不同结构船体中站面迎爆截面结点的y向变形曲线。可以看出，硬壳式结构y向挠度最小，横向加筋y向挠度较大。
2.3综合性能比较1)结构剖面性能比较。由于5种结构船体弯矩和弹性模量相同，故变形量与惯性矩大小成反比，惯性矩比值大，变形量越小，性能越好。同时，船体剖面模数也是表征船体结构抵抗弯曲变形能力的一种几何特性，也是衡量船体强度的一个重要标志，弯矩一定时，剖面模数越大，最大应力越小，性能越好。中横剖面惯性矩比值以及剖面模数比值如表7所示。可以看出，硬壳式结构中横剖面惯性矩和剖面模数最大。根据文献[10]的比较对象，其中工艺性能由于无法进行量化比较，因此把它放在最后进行比较；而最大极限变形(局部弹性应变能)即表4中的TsaiSW多项式最大值，由于夹层结构的比值与其他几种结构相比差距太大，会干扰比较结果，且多项式值均远小于破坏值1，故暂不列入比较；总纵极限强度与惯性矩和剖面模数有关，所以分别进行综合比较。比较对象为总纵极限强度、中横剖面横向变形、最大应变值的综合比较，见表8、表9和表10。权重取值为0.25∶0.375∶0.375。下面分三组进行综合比较。每一组都有3种数据处理方式。A、B、C的意义同于2.2节。2)惯性矩、包络面积、应变的综合比较。总权重=惯性矩比值×权重+包络面积比值×权重+应变比值倒数×权重。由表8可以看出，硬壳式结构总权重数值在3种数据处理方式下均为最大。3)甲板剖面模数、包络面积、应变的综合比较。总权重=甲板剖面模数比值×权重+包络面积比值×权重+应变比值倒数×权重。由表9可以看出，硬壳式结构总权重数值在3种数据处理方式下均为最大。4)船底剖面模数、包络面积、应变的综合比较。总权重=船底剖面模数比值×权重+包络面积比值×权重+应变比值倒数×权重由表10可以看出，硬壳式结构总权重数值在3种数据处理方式下均为最大。
3结论
本文根据船体结构性能要求，共考虑单板横向加筋、单板纵向加筋、单板双向加筋、硬壳式和夹层式5种结构设计方案。在正侧面爆炸情况下分别对5种不同构造形式船体进行有限元分析。通过各响应值的单项比较以及综合性能比较，得出结论如下：(1)根据以上综合比较，硬壳式结构在3种情况下总权重值最大，故在结构剖面性能综合比较中是相对最优的。(2)对于工艺性能，硬壳式结构由于真空灌注成型方便，也是相对最优的。(3)对于最大极限变形(局部弹性应变能)，夹层结构和横向加筋结构优于硬壳式结构。虽然夹层结构具有很大优势，但因目前市场上高质量芯材需进口，价格较高，不利于降低造价，且取材受制于人，故夹层结构可暂不考虑。而横向加筋结构的比值倒数只比硬壳式结构大0.064，所以即使将此因素考虑在内，也无法改变硬壳式结构相对最优的比较结果。经过一系列计算、分析和综合比较，硬壳式结构是既符合结构性能满足使用要求，又满足艇体自重轻、造价低、选材容易、成型方便的综合最优的结构形式。