水下爆炸作用下箱型梁舰船冲击环境数值研究

第３５卷第３期　２０１３年３月　舰船科学技术　ＳＨＩＰ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮ０ＬＯＧＹ　Ｖｏ１．３５，Ｎｏ．３　Ｍａｒ．，２０１３　

水下爆炸作用下箱型梁舰船冲击环境数值研究　

吴子奇，王耀辉，吕　帅，刘翠丹　

（哈尔滨３－程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨１５０００１）　

摘　要：　舰船的冲击环境研究是舰船抗爆炸抗冲击设计的基础。箱型梁作为新型甲板结构，势必会从结构形　

式和总布置２个方面改变舰船刚度和质量的分布，从而改变了舰船的冲击环境。本文通过数值仿真技术，建立箱型梁　结构舰船水下爆炸模型，运用冲击响应谱分析方法对箱型梁舰船结构冲击环境进行研究，将箱型梁舰船冲击环境特性　与母型船进行对比，并将箱型梁内外冲击环境特性进行描述，得出箱型梁一舰船冲击环境特性规律，对箱型梁舰船抗　水下爆炸冲击设计有一定的参考意义。　关键词：　水下爆炸；箱梁；冲击响应谱；冲击环境　

中图分类号：０３８９　文献标识码：　Ａ　

文章编号：　１６７２—７６４９（２０１３）０３—００１９—０８　ｄｏｉ：１０．３４０４／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—７６４９．２０１３．０３．００５　

Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｂｏｘ－ｇｉｒｄｅｒ　ｓｈｉｐ　ｓｈｏｃｋ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　

ＷＵ　Ｚｉ—ｑｉ，ＷＡＮＧ　Ｙａｏ—ｈｕｉ，ＬＶ　Ｓｈｕａｉ，ＬＩＵ　Ｃｕｉ－ｄａｎ　

（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｓｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５０００１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｎａｖａｌ　ｓｈｉｐ　ｓｈｏｃｋ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｏｆ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｓｈｉｐ　

ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｔｏ　ｉｍｐａｃｔ．Ｂｏｘ—ｇｉｒｄｅｒ　ａｓ　ａ　ｎｅｗ　ｄｅｃｋ　ｆｏｒｍ　ｉｓ　ｂｏｕｎｄ　ｔｏ　ｃｈａｎｇｅ　ｔｈｅ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｇｅｎｅｒａｌ　ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ，ｔｈｕｓ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｔｈｅ　ｓｈｉｐ　ｓｈｏｃｋ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　

ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ　ｂｏｘ—ｇｉｒｄｅｒ　ｓｈｉｐ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｆｏｕｎｄｅｄ，ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｓｈｏｃｋ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　

ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｈｉｐ　ｓｈｏｃｋ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｓｈｏｃｋ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｏｘ—ｇｉｒｄｅｒ　ｓｈｉｐ　ｗｏｕｌｄ　ｂｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｐｌａｙｉｎｇ　ａ　ｇｕｉｄｉｎｇ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　

ｏｆ　ｓｈｉｐ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｔｏ　ｉｍｐａｃｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ；ｂｏｘ—ｇｉｒｄｅｒ；ｓｈｏｃｋ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ；ｓｈｏｃｋ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　

０　引　言　

军用船舶在执行任务过程中不可避免地会遭受　

导弹、鱼雷、水雷等武器的威胁和打击，随着武器　

威力及制导技术的不断更新换代，舰船被打击命中　的概率越来越大，且损伤效果也越来越严重，为此　

各国海军在舰船抗水下爆炸性能方面开展了大量研　究¨　。其中，舰船设备抗冲击性能是反映舰船生命　

力的重要环节，是评估舰船设备抗冲击能力的基础。　

水面舰船及设备系统的抗冲击能力直接关系到舰船　

战斗力、生命力，冲击环境作为抗爆抗冲击设计的　基础，引起了越来越多的关注　。　舰船冲击环境主要通过理论研究、试验研究、　

数值研究等方法，由此开展了众多研究　。由于　舰船在水下爆炸作用下结构的冲击响应为强非线性　

过程，其作用过程十分复杂，因此理论研究仅适用　

于求解简单结构的动响应问题，不适合求解复杂的　

工程结构；而对舰船冲击环境研究最有效、最真实　

的方法是实船试验，欧美海军强国大都以此来对舰　船的冲击环境进行研究，但实船试验费用高且可操　

作性不强。然而数值计算方法克服了以上诸多不利　

因素，对舰船冲击环境研究起到很大的促进作用。　

随着舰船抗水下爆炸性能研究的迅速发展，箱　

型梁作为新型结构形式已在现代舰船上得到应用，　

收稿日期：２０１２—０７—０９　基金项目：国家安全重大基础研究资助项目（６１３１５７０２０１０２）　作者简介：吴子奇（１９８７一），男，硕士，研究方向为船舶与海洋结构物设计制造。

　第３期　吴子奇，等：水下爆炸作用下箱型梁舰船冲击环境数值研究　．２１．　

应。气泡载荷通常引起舰船结构低频响应　，从　

而对舰船造成整体毁伤。冲击波载荷对舰船破坏具有　

较大的复杂性和不确定性，在研究过程中通常采用冲　击因子来描述攻击强烈程度　”　。冲击因子与药包　

质量和爆距及攻角有关，通常水面舰船采用龙骨冲击　

因子ＫＳＦ和壳板冲击因子ＨＳＦ两种定义方式，根据　

考核对象不同，所选取的冲击因子也不同（见图４）。　

图４不同冲击因子爆距示意图　Ｆｉｇ．４　Ｂｌａｓｔｉｎｇ　ｄｉｓｔａｎｃｅｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｈｏｃｋ　ｆａｃｔｏｒ　

龙骨冲击因子　

ＫＳＦ＝　（　），　（１）　

板壳冲击因子　

ＨＳＦ＝　＿／Ｒ，。　（２）　

其中龙骨冲击因子用于评估冲击环境，而板　

壳冲击因子用于评估舰船局部和总体结构强度。　

本文对应２种舰船结构毁伤等级，以３０。攻角０．３２　

和０．３８龙骨冲击因子为典型工况，采用箱型梁舰　

船整船为计算模型，以典型剖面的各层甲板为考　

核对象。　

４　箱型梁舰船冲击环境分析　

箱型梁在舰船结构中的应用，势必会从结构　

形式和总布置２个方面改变舰船刚度和质量的分　布，从而改变舰船的冲击环境特征。为研究箱型　

梁舰船冲击环境特性，在沿船长方向分别选取　

０．２５Ｌ，０．５Ｌ和０．７５Ｌ三个典型剖面进行分析。在　某特定工况下，选取考核剖面的各层甲板上若干　

考核点进行研究。如图５所示，　轴正方向指向船　

尾，ｙ轴正方向指向为右舷，Ｚ轴正方向为铅垂　向上。　

４．１　两种工况下横向和垂向冲击环境的比较　

选取０．５Ｌ为典型考核剖面，对不同工况下舰船　

结构横向和垂向的冲击环境进行研究。图６为２种　Ｊ　（ａ）０．２５Ｌ剖面　

●　●　

（ｃ）０．７５Ｌ剖面　图５典型剖面示意图　Ｆｉｇ．５　Ｓｋｅｔｃｈ　ｏｆ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｓｅｃｔｉｏｎｓ　

一０．５　—０．３　＿ｏ１　ｏ．１　０．３　ｏ　５　无量纲船宽　Ｂ　一０．３２冲击因子箱型梁舰船Ｕ２　…０．３８冲击因子箱型梁舰船Ｕ２　・一０．３２冲击因子箱型梁舰船ｕ３　一－０．３８冲击因子箱型梁舰船ｕ３　（ａ）谱位移　

无量纲船宽　Ｂ　一０．３２冲击因子箱型梁舰船ｖ２　…０．３８冲击因子箱型粱舰船Ｖ２　・＿０．３２冲击因子箱型粱舰船ｖ３　一－０－３８冲击因子箱型梁舰船ｖ３　ｆｂ１谱速度　

一０．５　—０．３　－０１　０．１　０．３　０．５　无量纲船宽　一Ｏ．３２冲击因子箱型梁舰船Ａ２　…０．３８冲击因子箱型梁舰船Ａ２　一・０．３２冲击因子箱型粱舰船Ａ３　—－・０．３８冲击因子箱型梁舰船Ａ３　ｆｃ１谱加速度　图６横向与垂向冲击环境比较　

Ｆｉｇ．６　Ｓｋｅｔｃｈ　ｏｆ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ａｎｄ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｓｈｏｃｋ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ

　・２２・　舰船科学技术　第３５卷　

＿［况下箱形梁舰船结构响应沿船宽分布曲线。由图　

可知，０．３８冲击因子作用效果较０．３２冲击因子作　

用效果显著，约为其１～１．５倍；在同一工况下，垂　

向作用效果远高于其横向作用效果，约为其３倍。　

因此，在冲击环境考核过程中，着重考核２种工况　

下垂向谱位移、谱速度和谱加速度。　

４．２原船与箱型梁舰船典型剖面比较　

选取０．５Ｌ作为典型考核剖面，对不同工况下箱　

形梁舰船和母型船一甲板和二甲板的冲击环境进行　

研究，图７和图８为２种工况下舰船结构响应沿船　

宽分布曲线。　

一，．一，一一　５Ｑ０　～～～．、．　口／－一，　２．　’。、　～．　蠢　孑瓷　＝　～　…　１

．００　～一　０．５０￣．．．　…一　…　…　～　一０．５　－０．３　—０．１　０．１　０．３　０．５　无量纲船宽　Ｂ　

——Ｏ，３２箱型梁舰船一甲板Ｕ３　一一Ｏ．３２母型船一甲板Ｕ３　一‘Ｏ．３８箱型梁舰船一甲板Ｕ３　一一　Ｏ．３８母型船一甲板Ｕ３　

—０．５　－０．３　—０．１　０　１　０，３　０．５　无量纲船宽　Ｂ　——０．３２箱型梁舰船一甲板ｖ３　０．３２母型船一甲板Ｖ３　一　０．３８箱型梁舰船一甲板Ｖ３　一”０．３８母型船一甲板Ｖ３　（ｂ）谱速度　

－０．５　—０．３　—０．１　０．１　０．３　０．５　无量纲船宽　Ｂ　——０．３２箱型梁舰船一甲板Ａ３　—０．３２母型船一甲板Ａ３　—０．３８箱型梁舰船一甲板Ａ３　一・－０＿３８母型船一甲板Ａ３　（Ｃ）谱加速度　

图７　箱型梁舰船与原船一甲板冲击环境比较　

Ｆｉｇ．７　１　ｄｅｃｋ　ｏｆ　ｂｏｘ—ｇｉｒｄｅｒ　ｓｈｉｐ　ａｎｄ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　ｓｈｉｐ　ｓｈｏｃｋ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　３．００　

１．００　０．如　一０．５　—０．３　—０．１　Ｏ．１　Ｏ．３　Ｏ．５　无量纲船宽　Ｂ　——Ｏ．３２箱型梁舰船二‘甲板ｕ３　～　０．３２母型船二甲板Ｕ３　一・０．３８箱型粱舰船二甲板Ｕ３　一・．０＿３８母型船二甲板Ｕ３　ｆａ１谱位移　

０．４０　－０．５　—０．３　—０．１　０．１　０．３　０．５　无量纲船宽ｙ／Ｂ　

景　——０．３２箱型梁舰船二甲板Ｖ３　一０＿３２母型船二甲板Ｖ３　一・０．３８箱型梁舰船二甲板ｖ３　一　’Ｏ＿３８母型船二甲板Ｖ３　（ｂ）谱速度　

－０．５　—０．３　－４）．１　０．１　０．３　０．５　无量纲船宽ｙ，Ｂ　Ｏ．３２箱型梁舰船二甲板Ａ３　一一０．３２母型船二甲板Ａ３　一‘０．３８箱型梁舰船二甲板Ａ３　－．－０．３８母型船二甲板Ａ３　（ｃ）谱加速度　

图８箱型梁舰船与原船二甲板冲击环境比较　Ｆｊｇ．８　２　ｄｅｃｋ　ｏｆ　ｂｏｘ—ｇｉｒｄｅｒ　ｓｈｉｐ　ａｎｄ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　ｓｈｉｐ　ｓｈｏｃｋ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　

表１　箱型梁舰船与原船甲板冲击环境平均值（０．３８工况）　Ｔａｂ．１　Ｔｈｅ　ｄｅｃｋｓ　ｓｈｏｃｋ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ａｖｅｒａｇｅ　ｏｆ　ｂｏｘ—ｇｉｒｄｅｒ　ｓｈｉｐ　ａｎｄ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　ｓｈｉｐ　

谱位移／ｃｍ谱速度／ｍ・ｓ　谱加速度／ｇ　

箱型梁舰船　２．６　１．２　７８．２　

一甲板　原船　１．７　１．０　８７．９　

比较　５２．５％　２６．７％　一ｌ１．０％　

箱型梁舰船　２．２　１．２　ｌ０１．２　

二甲板　原船　１．６　０．９　８８．５　

比较　３６．３％　２２．２％　１４．４％　

由图７可知，一甲板由于布置了箱型梁，重量　

与刚度均有改变，使得箱型梁舰船谱位移和谱速　∞．眦／　磐　一　＿　一＞　～