水下爆炸下舰艇不同部位冲击环境数值分析

董九亭，刘建湖，汪俊，刘国振 214082中国船舶科学研究中心，江苏 无锡

摘 要：［目的］水下爆炸下的舰艇冲击环境是舰用设备抗冲击设计和评估的基础输入。［方法］采用数值方法研究某型船在水下爆炸下不同位置的冲击环境，流固耦合作用采用二阶双重渐近法（DAA2）。首先选取不同的阻尼比等参数，然后使用不同安装频率的弹簧振子模拟弹性设备。［结果］研究获得了典型位置处与实船相吻合DAA2的冲击谱结果，并验证了 法的准确性和可靠性。在相同冲击输入下，利用振子计算得到不同安装位置的冲击响应并转换得到冲击环境，分析得到了冲击环境在全船上的分布和衰减规律。［结论］研究结果可为舰船设备抗冲击设计提供参考。关键词：水下爆炸；流固耦合；冲击环境；数值模拟；设备抗冲击

Numerical analysis on shock environment in different ship regions subjected to underwater explosion

DONG Jiuting，LIU Jianhu，WANG Jun，LIU Guozhen China Ship Scientific Research Center，Wuxi 214082，China

Abstract：［Objectives］The shock environment of a warship in an underwater explosion is the basic input for the design and shock resistance ability evaluation of ship equipment. ［Methods］ In this paper，a numerical simulation is used to analyze the shock environment in different regions of a ship，and the Second-order Doubly Asymptotic Approximation（DAA2）is used to solve the fluid-structure interaction. First，the appropriate calculating parameters are chosen，such as damping ratio，and then a series of Single-Degree-of-Freedom（SDOF） systems are attached at various deck locations to simulate flexible equipment.［Results］The accuracy and reliability of DAA2 is verified by the fact that the calculated shock spectrums at classic regions perfectly match the data of the ship shock trial. The shock response of the SDOF systems under the same shock input are then calculated and transformed into the shock environment. Finally， the results of shock environments in different regions are compared. ［Conclusions］ The conclusions of this paper can provide design reference data for the subsequent anti-shock design of equipment. Key words： underwater explosion； fluid-structure interaction； shock environment； numerical simulation；anti-shock of equipment

0引言

作战舰艇由于其特殊的任务需求，必然要面临水下兵器爆炸带来的威胁。相比于接触爆炸造成的结构损坏，非接触爆炸会造成更大范围内舰艇设备的冲击破坏，因此，研究舰艇设备的冲击环境对其抗冲击设计至关重要。国内的抗冲击标准901 DDS072，而主要参考自美国的 系列和 这些标BV 043/85）准与其他海军强国的标准（如德国的相比有哪些区别值得深入研究。例如，我国军标GJB 1060.1要求的冲击设计谱并没有等谱位移的901 BV 043/85要求，但 系列和 却要求采用三折线谱的形式；BV 043/85根据舰艇吨位的不同对抗冲901击有不同的要求，而 系列则没有，诸如此类的问题越来越阻碍了国内舰艇抗冲击技术的发展［1］。BV 043/85因此，深入研究美军标与 等的设计依据就显得越来越重要。舰船冲击环境受冲击因子、设备安装位置和安装方式等因素的影响，表现出复杂的特征。国内外很多学者通过数值仿真结合试验研究的方式，总结归纳了很多冲击环境工程化预报公式［2-5］。冲击环境在全船范围的分布规律所涉及到的影响因素很多。尹群［6］认为，从外底板到船体上部，在同一纵剖面位置处，局部结构刚度的不同会影响谱位移和谱速度值。同样的位置设置，钱安其等［7］则认为谱加速度值较谱速度值和谱位移值衰减更快。崔杰等［8］在横舱壁与中纵剖面上设置测点，得出了冲击谱值在各个横剖面随测点位置的升高呈指数规律衰减的结论。本文将在研究不同阻尼参数对双重渐近法（DAA）冲击环境影响的基础上，用弹簧振子模拟弹性设备的安装，并从不同安装位置的角度出发对冲击环境进行研究。在冲击因子相同的情况下，通过研究冲击环境沿全船的分布规律，得到振子响应与其基座冲击环境的关系，以及同一甲板上不同位置处、同一横剖面上不同甲板处冲击环境的频率和幅值的差异。

1 计算方法

水下爆炸下，流体与结构的解耦问题是动响应分析的关键点和难点。解析法仅限于简单结构的求解，在实际工程应用中，采用近似的解耦方法更实用，其中二阶双重渐近法（DAA2）9 ［ ］因其在各个频段都有良好的精度而被广泛使用。DAA2考DAA1，增虑了流体的可压缩性和流动特性，相比加了流体模态频率矩阵，提高了中频段的精度。其主要公式如下［10］： M P ˉ̈ + ρcA P ˉ̇ + ρcΩ A Pˉ = f sc f sc f f sc （1） ρc(M Usc ˉ + Ω M U ˉ̈ sc) f f f式中： A 为结构湿表面对角矩阵；M 为结构湿f f表面的流体附加质量矩阵；Ω 为流体模态频率矩f阵；Pˉ 和 U̇ ˉ 分别为结构湿表面上的法向散射压sc sc力与散射速度，U ˉ和 Usc ˉ则分别为散射加速度及sc散射加速度的一次微分；ρ和 c 分别为流体介质

的密度与声速。从上式中可以看出，等式左边第3 2项与右边第 项为 A Pˉ = M U ˉ̈ ，等效于虚质量f sc f sc 1法求解低频响应的假设；等式左边第 项与右边1第 项为 P ˉ̈ = ρcU ˉ ，等效于平面波求解高频响应sc sc DAA2的假设；中频段采用过渡处理。在应用 解决流固耦合问题上，中国船舶科学研究中心进行了很多研究［10-13］。

2 模型计算及参数选取 2.1 有限元模型

本文采用的模型是按照某型水面舰船的实船59.05 m，型宽8.50 m，型深3.70 m，尺寸建立：总长2.24 m，正常排水量570 t。有限元模型设计吃水建立后，先对其进行模态分析，并与激振试验得到1的固有频率进行对比，结果如表 所示，证明模型可用于本文的计算。 1 000 kg TNT计算工况为：药量 沉底，距离右74m 50m舷 ，药包深度 ，沿船长方向位于船舯位31.4°，龙骨冲击因子0.311。置，攻角在测点方面，本文采用了设置于迎爆面的质200 kg、频率为5~500 Hz、按照对数等间距排量为 15 Hz布的弹簧振子模拟设备。其中，频率在 以0.05下的弹簧振子采用 的阻尼比 ξ ，其他振子则0.01设置为 的阻尼比。在内底板、主甲板和横舱壁的艏部、舯部和艉部各设一处安装位置，上层建筑由于其沿船长的特殊性，未在艉部设置安装位置。所有弹簧振子的基座均采用统一样式，避免了因基座阻抗不同所带来的振子响应谱值的差1 2异。模型及测点布置如图 和表 所示。

2.2 参数确定

DAA2在 方法中，流体阻尼 η与瑞利结构阻尼C 是影响计算结果的重要参数。根据瑞利阻尼的表达式 C = αM + βK（ α 和 β 分别为控制质量 M

和刚度 K 在阻尼中贡献的系数），参考美国舰船Shin 等［14］获研究院 得的 α 和 β 在不同区域的取值，再结合有关 η取值的模型计算经验，选取了几3组组合如表 所示。双重渐进法阻尼参数取值 DAA2为了验证参数选取的可信度，采用 对上述不同阻尼参数组合下的整船有限元模型进行了1计算。将舰船迎爆面主机基座处（图 所示测点T1）和 1 T2）的响驾驶室中线地板处（图 所示测点应分别与实船试验对应点的实测数据进行了对2 2.5 Hz比，验证结果如图 所示。根据图中所示，在20~60 Hz 5以下频段以及 频段，工况 的计算结果4更加理想；在除此之外的其他频段，工况 计算得到的数据与实测数据吻合良好。从图中还可以看20 Hz 20~60 Hz出，η在 以下频段影响比较明显，在300 Hz频段上的响应随 α 的变大而变小，而在 以上频段，则是 β 的影响更加明显。

3 计算结果分析

冲击环境是设备在水下爆炸下的基础输入，是设备抗冲击研究的基础［10］。目前，应用比较广

（b）Floor of navigation bridge（test point T2）图2 不同阻尼参数下的冲击谱Fig.2 Shock spectrums of different damping parameters