基于ABAQUS软件的舰船水下爆炸研究

第２７卷第１期２００６年２月哈尔滨工程大学学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＶ０１．２７№．１Ｆｅｂ．２００６

基于ＡＢＡＱＵＳ软件的舰船水下爆炸研究

姚熊亮１，张阿漫１，许维军１，汪玉２

（１．哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨１５０００１；２．海军装备论证研究ｑ－心，北京１０００７３）

摘要：通过数值手段研究水下爆炸气泡脉动载荷作用下的舰船船体总强度．文中应用国际上通用的有限元程序

ＡＢＡＱＵＳ中的声固耦合算法模拟分析了舰船受水下爆炸气泡脉动载荷作用的总体响应；通过大量的数值模拟计算，分析和总结了药包在舰船附近以不同位置、给定深度、不同装药量爆炸时气泡脉动载荷对船体总纵强度的影响，得出了一些有规律性的曲线；并校核了典型工况下气泡脉动载荷以及气泡脉动载荷和波浪载荷联合作用下船体的总

纵强度．计算结果表明：校核船体在气泡脉动载荷作用下的总纵强度的同时必须计入波浪载荷的影响，对相关理论研究和工程计算有一定参考价值．

关键词：舰船；水下爆炸；冲击波；气泡脉动；ＡＢＡＱＵＳ中图分类号：Ｕ６６１．６文献标识码：Ａ文章编号：１００６—７０４３（２００６）０１—００３７—０５

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｗａｒｓｈｉｐｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｅｘｐｌｏｓｉｏｎｗｉｔｈＡＢＡＱＵＳｓｏｆｔｗａｒｅ

ＹＡＯＸｉｏｎｇ—ｌｉａｎ９１，ＺＨＡＮＧＡ－ｍａｎｌ，ＸＵＷｅｉ－ｊｕｎｌ，ＷＡＮＧｙｕ２

（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＳｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ；２．ＮａｖｙＥｑｕｉｐｍｅｎｔＤｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ

ａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７３，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆａｗａｒｓｈｉｐｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｅｘｐｌｏｓｉｏｎ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｓｈｏｃｋ

ｗａｖｅａｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｐｕｌｓｅｌｏａｄａｃｔｉｏｎｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｂｙｂｕｂｂｌｅｐｕｌｓｅ，ｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｕｓｉｎｇＡＢＡＱＵＳｆｉ—

ｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅ．Ａｎａｌｙｚｅｄｗｅｒｅｒｅｓｐｏｎｓｅｓｏｆａｗａｒｓｈｉｐｕｎｄｅｒｂｕｂｂｌｅｄｙｎａｍｉｃｓｌｏａｄａｃｔｉｏｎａｔｖａｒｉ—

ＯＵＳｄｅｐｔｈｓ，ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ，ａｎｄｗｅｉｇｈｔｓｏｆｃｈａｒｇｅ，ａｓｗｅｌｌａｓｗｈｅｎｄｙｎａｍｉｔｅｃｈａｒｇｅｓｗｅｒｅｂｌａｓｔｅｄａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｏｓｉ—

ｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗａｒｓｈｉｐ．Ｔｈｅｒｅｇｕｌａｒｃｕｒｖｅｓ，ｗｈｉｃｈｓｕｉｔｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｗｅｒｅｇａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｈｕｌｌ’Ｓｌｏｎｇｉ—ｔｕｄｉｎａｌｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，ｕｎｄｅｒｔｙｐｉｃａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎｓａｎｄｂｕｂｂｌｅｉｍｐｕｌｓｅｌｏａｄａｃｔｉｏｎａｎｄｃｏｕｐｌｅｄｗｉｔｈｗａｖｅｌｏａｄｓ，ｗａｓ

ｃｈｅｃｋｅｄｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｂｕｂｂｌｅｉｍｐｕｌｓｅｌｏａｄａｃｔｉｏｎ’Ｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎａｗａｒｓｈｉｐ’Ｓｐｒｉｍａｒｙｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅ

ｔｈａｔｔｈｅｗａｖｅｌｏａｄｓｍｕｓｔｂｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｗｈｅｎｔｈｅｈｕｌｌ’Ｓｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｉｎｔｅｎｓｉｔｙｉｓｃｈｅｃｋｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｈａｓｖａｌｕｅ

ｔｏｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅｔｈｅｏｒｙｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗａｒｓｈｉｐ；ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｅｘｐｌｏｓｉｏｎ；ｓｈｏｃｋｗａｖｅ；ｂｕｂｂｌｅｉｍｐｕｌｓｅ；ＡＢＡＱＵＳ

当前，国际军事竞争的焦点日益集中在争夺海

上控制权，要取得海上控制权需要一支强大的海军，

海军的强大，离不开舰船．随着舰船造价的不断攀

升，各国对舰船的抗冲击性能研究越来越重视，对舰

船在极端情况下的强度要求越来越高．而现行设计和研究船体总强度时一般只计入包括波浪、抨击等

在内的外载荷，并没有包括水下爆炸后的气泡脉动

载荷．而实际上舰船在受到非接触水下爆炸载荷作

收稿日期：２００５—０４—０８．作者简介：姚熊亮（１９６３一），男，教授，博士生导师，Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｉｏｎｇｌｉ．ａｎｇｙａｏ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｒｎ．用时，由冲击波载荷引起的破坏大部分是船体局部

破坏，而冲击波过后的气泡脉动载荷往往会引起船

体的总体破坏．这是由于气泡脉动载荷的频率与舰

船船体的一阶垂向固有频率相当，并且某些工况下

气泡脉动的周期与波浪的周期属同一量级，因此分析舰船在实际海况中航行时遭受非接触水下爆炸载

荷作用时，必须考虑气泡脉动载荷和波浪载荷的联合作用，在这种多载荷相互作用下对船体总强度的

研究是今后舰船抗冲击研究的一个方向．文中主要

在舰船遭受水下爆炸冲击波与气泡脉动载荷下舰船的总纵强度进行学术上的探讨．随着近年来数值仿

真计算软件的普及，国际上相继出现很多种大型有　万方数据·３８·哈尔滨工程大学学报第２７卷

限元动力分析软件（例如ＡＢＡＱＵＳ、ＬＳ—ＤＹＮＡ、ＭｓＣ／ＤＹＴ础Ｎ等），这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．ＬＳ—ＤＹＮＡ和ＤＹＴ砘气Ｎ在分析舰船水下爆炸过程中均采用√蛆点

算法，而ＡＢＡＱＵＳ采用声固耦合方法．ｍ正算法用

状态方程描述流体和炸药，通过欧拉单元计算冲击

波的传播过程；而声固耦合算法采用一种声学介质

来描述流体，冲击波在声学单元中传播．国内用

ＡＩ点算法研究水下爆炸的文献比较多［１ｑＪ，文中采

用声固耦合方法模拟舰船水下爆炸．

１水下爆炸特点

首先简单的介绍一下水下爆炸气泡的形成，水下爆炸一般呈现２个阶段，冲击波阶段和气泡脉动

阶段［４］．在冲击波阶段，冲击波波头具有突跃的特

点，幅值迅速达到最大，突越后紧接着近似于按指数

规律衰减，衰减持续时间不超过数毫秒；当冲击波过

后，水下爆炸进入气泡脉动阶段，爆炸的气体生成物

（气泡）由于惯性的作用，以逐渐衰减的速度继续膨

胀，气泡内压力不断减少直到小于环境压力．当气泡

半径达到最大时，此时气泡内部压力最小，气泡开始

收缩．由于此时环境比气泡内部压力大得多，气泡半

径迅速缩至最小，随后气泡又开始膨胀，向外流场辐

射二次压力波．在气泡半径第二次达到最大时，气泡又开始收缩．同样的膨胀收缩重复好几次．在气泡脉

动期间，由于浮力的作用下气泡不断往上升，当气泡

到达自由表面时气泡破灭，形成水冢．在冲击波阶

段，水下爆炸容易造成舰船结构局部板的严重破损；

在气泡脉动阶段，水下爆炸容易使船体产生振荡，从

而造成严重的总体结构破损．并且，气泡脉动的周

期、最大半径与药包的爆心和装药量有一定的关系．

２爆炸载荷作用下舰船的总体响应

文中以某Ｉ型水面舰船为例分析舰船在爆炸载

荷（包括冲击波载荷和气泡脉动载荷）作用下舰船的

响应．计算的坐标系统为：原点为中纵剖面、中横剖

面和基线的交点，ｚ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．

鉴于仿真计算的实船模型节点个数达到了数十

万个，要想将气泡作用的响应现象计算出来，至少在

时间步上设置为１Ｓ，这样的计算量是极其巨大的，

在目前的硬件条件下难以实现．于是将船体简化为

一个箱形梁，内部设３层甲板，３个纵壁，３个横壁，

通过调节各板厚，根据结构动力学相似原理，使得该箱形梁一阶垂向总振动频率与实船保持一致，均为

１．１ＦＩｚ．所建立的箱型梁有限元模型如图２所示．

图１Ｉ型舰实船有限元模型

Ｆｉｇ．１Ｍｅｓｈｉｎｇｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆ１ｗａｒｓｈｉｐ

图２箱型梁有限兀模型

Ｆｉｇ．２Ｍｅｓｈｉｎｇｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌ

ｏｆｔｈｅｓｉｍｐｌｅｍｏｄｅｌｏｆ１ｗａｒｓｈｉｐ

２．１水下爆炸威力与气泡脉动频率之间的关系

众所周知，当激励力频率与结构的固有频率接

近时，就会引起结构共振，此时结构的破坏最为严

重．通过公式Ｔ：２．１１罢芸ｂ３（ｗ为药包的装药

量，ｋｇ；Ｚ。为药包与自由液面的垂直距离）可以估算

出炸药爆炸后形成的气泡脉动周期．为了研究不同

药包在不同水深爆炸时形成气泡脉动载荷对船体总

纵强度的影响，假设一系列工况，药包均设置在船体

的中下方，以考核该舰中横剖面的应力变化．

定义：

口＝了Ｊ０，（１１Ｊ

卢＝丁．Ｄ１，（２）

∑ｓｉ

ｓｍ２｝·（３）

式中：＾为气泡脉动压力的频率，＾舰船一阶垂向

固有频率，ｓ，为仅冲击波载荷作用下舰船中横剖面

　万方数据第１期姚熊亮，等：基于ＡＢＡＱＵＳ软件的舰船水下爆炸研究·３９·

单元上的平均应力，Ｓ，为气泡脉动载荷作用下该舰

中横剖面单元上的平均应力，竹为该舰船体中横剖

面上的单元个数，Ｓ，为该舰中横剖面上每个单元上

的应力．

考虑不同阻尼情况对舰船水下爆炸的影响，设无因次阻尼系数为ｒ，通过大量的数值模拟计算药

包以不同药量不同水深爆炸引起舰船在不同的无因

次阻尼系数情况下中横剖面上的平均应力，以便考

察气泡脉动载荷对船体总纵强度随气泡脉动载荷频

率的变化规律，得出曲线如图３所示：

图３爆炸威力随气泡脉动频率变化曲线

Ｆｉｇ．３Ｔｈｅｐｏｗｅｒｏｆｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｅｘｐｌｏｓｉｏｎａｌｏｎｇｗｉｔｈｔｈｅ

ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅｐｕｌｓａｔｉｎｇｏｆｔｈｅｂｕｂｂｌｅ

从图３中可以看出：随着阻尼系数善不同，芦值

也不同，当阻尼系数善接近０，卢的峰值最大，即由气泡脉动载荷引起的船中横剖面上的平均应力比冲

击波载荷作用引起的船中横剖面上的平均应力大得

多，实际当中阻尼系数善大致在０．０２～０．０７，从图中可以看出口约为２，说明在实际当中气泡脉动载荷作用对船体总纵强度的影响很大；当坟＜０．４或ａ

＞３．５时，放大系数ｆｌ＜１，即一定装药量的药包在浅水或深水水域爆炸时气泡脉动载荷作用下引起的

船中横剖面上的平均应力比冲击波载荷作用引起的

平均应力小．对于一定装药量的药包，根据上述公式，ａｒｌｌ３［５］Ｔ＝２．１１号耵，当ｗ不变时，由Ｙｏ＝１／Ｔ联立式Ｚ，０（１）可以求得Ｚｏ＝２．４５ａ６／５片佑Ｗ２佑．（４）

式中：Ｚｎ为药包爆心距船中的距离，Ｗ为药包的装

药量，厂】为舰船的一阶垂向固有频率．

从图３中可以看出，当在ｄ＜０．４或ａ＞３．５变

化，即药包爆心在水深范围Ｚｏ＜０．８２霹胚Ｗ２届或磊

＞１１∥５Ｗ２／５爆炸时，气泡脉动载荷作用对船体总纵

强度的影响比冲击波载荷作用对船体总纵强度的影

响小；当０．３＜ａ＜３．２时，即药包在水深ｏ．８２斥垮Ｗ２舟＜Ｚ０＜１１群５Ｗ２巧爆炸，气泡脉动载荷

作用对船体总纵强度的影响比冲击波载荷作用对船

体总纵强度的影响大．２．２水下爆炸威力与爆心位霉之闻的关系

为考核爆心位置不同气泡脉动载荷对船体总纵

强度的影响，假设装药量相同的药包仅爆心位置延

船长方向由船中向船首或船尾方向变化，定义：

“＝ＦＬ．１，（５）Ｌ２

∑ｓｉＵ～２

ｅ２惫·

（６）挖Ｘ３…

式中：Ｌ。为爆心到船中的距离，Ｌ：为船长，／＇／为船

体中横剖面上的单元个数，Ｓｉ为中横剖面上每个单

元上的应力，Ｓ一为中横剖面上的最大应力．

１．２，：：：卜～—

ｏ占＿—百丁—百ｒ—碗广—商—。百５

图４爆炸威力随爆心位置变化曲线

Ｆｉｇ．４Ｔｈｅｐｏｗｅｒｏｆｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｅｘｐｌｏｓｉｏｎａｌｏｎｇｗｉｔｈｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｈａｒｇｅ

从图４中可以看出：当“≤０．１时，即爆心在距

离该舰船舯１／１０船长范围之内的任何一点变化时，

爆炸威力都相当大，且船体中横剖面上的平均应力

不随爆心坐标位置变化而变化；当０．１≤“≤０．２５

时，即爆心距船舯距离从１／１０船长到１／４船长变化

时，船体中横剖面上的平均应力随爆炸点离船中距

离的变化而变化较大；当孔≥０．２５时，即爆心距船舯距离从１／４船长到１／２船长变化时，船体中横剖

面上的应力不随爆炸点离船中距离的变化而变化，

且平均应力大小仅为中部爆炸时的一半左右．在考

核水下典型武器攻击舰船时，爆炸点的选取对舰船

生命力的评估具有非常重要的意义，以上研究表明：

当爆心距船舯距离在距船中１／１０船长范围之内变

化时，爆炸考核点可以少取；当爆心距船舯距离在

１／１０船长到１／４船长变化时，爆炸考核点必须多取，

因为这时船体中横剖面上的平均应力随爆心距船舯

距离的变化而变化较大；当爆心距船舯距离从１／４

船长到１／２船长变化时，爆炸考核点则可以少取．

２．３水下爆炸威力与爆心方位之间的关系为考核爆炸方位不同时水下爆炸气泡脉动载荷

对该舰船体总纵强度的影响，假设装药量相同的药包仅爆心位置延船侧方向不同角度臼变化时，药包

深度ｄ保持不变，其爆心示意图如图５所示，通过

大量的数值模拟分析，得出￡随爆炸方位变化曲线

如图６所示．　万方数据