基于ABAQUS的近距水下爆炸对舰艇的冲击响应研究

摘要：舰艇非接触水下爆炸冲击响应是一个重要而复杂的问题，对舰艇结构和设备抗爆抗冲击的研究有着重要的意义。运用有限元程序 ABAQUS对舰艇在近距离非接触水下爆炸作用下的冲击响应进行了数值仿真，详细给出舰艇冲击响应的结果，由此获得舰艇结构的应力响应、加速度响应和速度响应的规律，为实船抗冲击试验奠定了理论基础。数值仿真所得舰艇响应规律与实际计算分析情况基本相符，为舰艇抗爆结构设计提供参考。

关键词：水下爆炸;ABAQUS;声-固耦合;冲击响应;数值模拟

随着水中兵器的发展，水下爆炸的当量、冲击持续作用时间及冲击波强度明显增强，水下爆炸载荷对舰艇结构的直接破坏作用越来越大，直接威胁着舰艇的作战能力和生命力，所以提高舰艇的抗冲击性能成为一项迫切的任务。炸药在水中爆炸后会产生冲击波，冲击波作用时间短，但压力幅值极大，往往能使舰船产生严重变形甚至破损。研究舰艇在水下爆炸冲击波作用下的动态响应对提高舰艇的抗爆性能具有重要意义。

近年来，由于计算机硬件和软件的高速发展，在研究水下爆炸问题时数值计算方法得到越来越多的应用，许多学者对于船舶在水下爆炸作用下的冲击响应进行了数值模拟研究。2003年，张振华、朱锡、冯刚等提供了一个利用MSC/DYTRAN和FORTRAN联合使用数值模拟水面船舶在远距离水下爆炸载荷作用下动力响应方法。同年，姚熊亮、侯健、王玉红等利用ANSYS/LS-DYNA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。吴有生等研究了爆炸载荷作用下舰船板

架的变形与破损。在本文中，采用ABAQUS对炸药水下爆炸作用下船体结构的动态响应进行数值模拟，得到舰船在水下爆炸下的响应规律，为舰艇的防护结构设计提供有力的依据。

1 某型舰艇有限元模型的建立

利用Pro/E软件建立某型舰的几何模型。坐标系的选择：坐标原点为基平面与中纵剖面和FRO剖面的交点，X轴指向船首，Y轴指向左舷，Z轴竖直向上。利用Hypermesh软件建立某型舰的有限元模型，船体结构的单元类型为壳单元和梁单元，结构的单元尺寸为0.5 m，该船体结构从底至上分别为底舱、平台甲板、主甲板、艏楼甲板、驾驶平台和罗经平台。水域的单元类型为声学单元，单元个数为349 812个。水域分为3个部分，采用中间为圆柱体、两端为球体的形状，由于该舰艇属于表面船，所以中部为一个圆柱体的一半，两端是相同半径的球体的1/4，圆柱体和球体的半径为船体结构半宽的6倍。水域用六面体声学单元划分网格，设置单元类型为AC3D8R，共划分三层，与船体结构相连的部分单元尺寸最小，向外逐渐变大。船体和水域的有限元模型如图1所示。

2 某型舰艇水下爆炸冲击响应的数值模拟

2.1 水下爆炸试验工况

本文水下爆炸数值仿真的工况，采用300 kg的TNT球形炸药，爆源位于舰艇船舯正下方5 m处。本文运用ABAQUS/Explicit模块来获取舰艇的水下爆炸冲击响应，爆点在ABAQUS软件中的相对坐标为：(31，0，-5)，工况示意图如图2所示。

流体和结构的相互作用是水下爆炸问题中的关键，ABAQUS基于表面使用“Tie”约束，通过线性动量守恒将结构的位移场和流体的压力场耦合起来。在结构和流体的界面处不需要网格的一一对应，可以采用不同的网格密度，程序通过“Tie”约束自动耦合进行计算。本文中舰船结构与水域的接触方式采用声-固耦合法，在ABAQUS中通过关键字Tie实现。水域边界采用无反射边界条件，以模拟无限水域。

在瞬态动力分析中，ABAQUS自动根据冲击波载荷的数值大小对整个声学场(即流场)进行初始化，这不仅是为了节省计算的时间，而且还可以防止冲击波在传播过程中的数值耗散或者失真。本文采用Geers-Hunter的水下爆炸集成冲击波和气泡脉动的双重渐近模型来计算水下爆炸载荷。本文只关注冲击波载荷对结构的作用，因此只要爆炸载荷加载时间明显比气泡脉动周期小，那么气泡脉动载荷就可以忽略不计。爆点A的冲击波压力运用Geers-Hunter模型计算，其公式如下：

在t<7Tc时(冲击波阶段)，冲击波压力为：

式(1)～式(4)中，mc和ac分别是药包的质量和初始半径，Kc、K、k、r、A和B都是材料常数，ρc为炸药的密度，ρf为流体的密度，cf为流场中的声速，g为重力加速度，PI为爆心处流体静压，CD为经验流体阻力系数，Vc为炸药的初始体积，R为测点到气泡中心的距离，根据以上公式能够计算炸药水下爆炸冲击波到气泡脉动压力的整个过程。

2.2 舰艇应力响应和舰底外板局部变形

若材料受到一个作用时间极短的超过其屈服极限的载荷时，可以认为材料是安全的，但是若材料受到的超过其屈服极限的载荷是一个长期行为时，那么材料就要失去稳性而

断裂。如图3和图4所示，在水下爆炸冲击波载荷的作用下使舰体产生局部结构的扭曲变形，严重时会造成舰体的破裂，本文中爆源位于舰底中部正下方爆炸，冲击波会首先射到舰底，由于舰底外板受冲击波载荷的直接作用，舰底板中心处首先发生塑性应变，并超过了材料的屈服极限产生破口，随后冲击波开始由舰底板中心向上层和首尾两侧传递到舰艇结构的其他部位，最后覆盖到整个舰体。在水下爆炸冲击波载荷的作用下，舰底外板中心处的应力和变形要远远大于舰艇其他部位的应力和变形，数值仿真的结果与实际计算

分析结果基本相符，对实船爆炸试验的开展具有较高的参考价值。[!--empirenews.page--]

2.3 船体加速度响应和速度冲击响应

测点布设工况图如图5所示，舰艇底板中心测点垂向加速度和垂向速度时历曲线如图6所示。

从图6(a)中舰艇底板中部测点垂向加速度时历曲线可以看出，由于非接触水下爆炸压力波包含冲击波和多次气泡脉动压力，且受到与结构的相互耦合作用的影响，其中气泡膨胀产生的气泡脉动压力的能量以低频为主，冲击波的能量主要集中在中高频。图6(b)中舰艇底板中心垂向速度历程曲线可以看出，初始阶段是冲击波作用，之后在反射稀疏波作用下速度迅速下降，到0.12 s左右第一次气泡脉动作用开始，测点开始加速，气泡脉动对舰艇结构产生较明显的作用。气泡脉动对舰艇的损伤在一些时候会比冲击波更为严重。其原因是水下爆炸冲击波压力往往会造成舰船的局部损伤，而现代舰船的设计一般有足够的强度来抵抗结构的局部损伤。从另一方面来看，当舰艇受到非接触水下爆炸冲击作用时，舰艇底板和底层甲板抵消了大部分的冲击载荷，有效的保护了上层甲板和舱室中设备和人员的安全。

3 结论

本文运用有限元程序ABAQUS对某型舰艇在近距离非接触水下爆炸作用下的冲击响应进行了数值模拟，有效解决了流固耦合和边界条件的处理等问题，并详细给出了某型舰艇遭受近距离水下爆炸后的冲击响应结果，获得了舰艇的应力响应、加速度响应和速度响应的规律。数值模拟舰艇在非接触水下爆炸作用下的冲击响应规律与实际计算分析结果基本相符，具有较高的可信度，为实船爆炸试验的开展提供参考。