箱形梁结构船体水下非接触爆炸冲击环境分析.doc

箱形梁结构船体水下非接触爆炸冲击环境分析.doc1 箱形梁结构船体水下非接触爆炸冲击环境分析摘要: 为研究箱形梁结构船体在水下非接触爆炸作用下的冲击环境, 在船体中部范围内主要受力部位设置箱形梁, 并与考虑箱形梁产生的质量变化而建立的等重船模进行对比,来描述箱形梁结构对冲击环境的影响. 基于 Abaqus 中的声固耦合算法求解 2 种形式船体的冲击响应,以冲击谱为工具描述船体结构的冲击环境, , 为相关舰船设备的舾装与船体优化设计提供参考. 关键词: 箱形梁; 冲击环境; 水下非接触爆炸; 声固耦合法;冲击谱中图分类号: ; 文献标志码: B 引言冲击环境[1] 的优劣是影响舰艇生命力的重要因素之一,其对舰船设备的正常运作和人员的安全性起着决定性作用, 因此, 如何改善冲击环境一直是关注的课题之一. 除采用高新技术外, 改善船体结构形式成为优化冲击环境最有效的途径之一. 在这方面, 世界海军强国早已投入研究多种形式的舰体结构. 新型箱形梁船型[2] 是一种较为创新的船体结构形式,在经过多年的研究投入后,西方强国走在世界的前列,德国已投产的 F124 萨克森级护卫舰(见 2 图1 )成为首款投入实用的箱形梁结构舰艇. 图1 德国 F124 型级护卫舰结构示意为较为细致地了解箱形结构船体较等重原船对冲击环境的影响, 以布置参考点的方式对 2 种船型各层甲板的冲击环境特性进行分析, 并以冲击谱的形式描述 2 种船型各甲板的冲击环境, 并归纳、 计算模型有效的模型和精确的压力载荷是数值分析的基础, 为此, 本文验证计算模型的有效性,并给出计算使用的超压载荷经验公式. 几何模型首先通过对已有船型进行等比例建模, 在此基础上进行局部结构的更改,经过多次计算比较后,最终完成箱形梁船体的模型. 箱形梁并非独立结构, 而是与支撑其的数道水密舱壁组成强框架体系, 再加上装箱形梁结构后相互作用而成. 箱形梁主要布置在上建第一层甲板上,独立的箱形梁与普通梁的区别不大, 主要区别于为组成有效系统而进行的局部结构的优化改变. 箱形梁船体和水密舱壁示意见图 2. 图2 箱形梁船体和水密舱壁示意船体模态,尤其是湿模态[3] ,反映船体质量和刚度分布的正确性, 3 是进行船体分析的基本保证,故应首先验证船体湿模态. 将船体湿表面和流场接触面定义为流固耦合的边界条件, 模拟流场对船体带来的附连水效应, 采用 Abaqus 中边界耦合验证实际船体低阶固有振型和频率. 现对船体总振动影响大的前 3 阶湿模态进行计算对比, 船体和流场耦合的有限元模型见图 3. 图3 船体与流场耦合的有限元模型经过计算, 箱形梁船体、等重船体模型都与原设计值的 1 阶横向固有频率误差在 4% 以内,且 2和3 阶横向固有频率相对误差控制在 10% 以内; 1 阶垂向固有频率相对误差则在 3% 以内,且2和3 阶垂向固有频率误差也控制在 10% 以内. 数值结果初步验证计算模型的总体刚度分布、质量分布较为合理,将其用于计算能够保证结果准确. 冲击载荷模型爆炸载荷可由经验统计近似代替模拟值, 将其用于数值仿真, 其结果已得到工程实践的检验,证明是合适可行的. 对式( 2 )进行编程,再考虑到在水流场中的传播特性,可以