研究船体典型结构局部强度考核试验模型设计

研究船体典型结构局部强度考核试验模型设计

晏莎叶帆

武汉船舶设计研究院有限公司湖北省武汉市430000

摘要：针对纵向桁架、实肋板、交叉梁及板架等船体典型结构，提出便于进行操作的模型试验方法，并采用有限元软件分析板架爆炸破坏响应，比较不同模型在各工况下的响应规律，以此明确为实现不同目的而进行设计的最佳方案。

关键词：船体典型结构；结构局部强度考核；试验模型设计；仿真

目前，我国并未大规模进行实船的爆炸破坏试验，仍然以模型分析为主，侧重所用模型的相似性，通常在尺度较大的缩比模型中进行试验和分析。然而，如果模型有很大的缩尺比，不仅难以解决相似律方面的问题，而且完成换算后难以保证准确性，最终的试验结果无法正确衡量船体强度及抗爆能力。为此，本文提出一套全新的试验模型设计方法。

1试验模型及其浮态设计

1.1试验模型

根据某一舰船主体结构按照1:4比例设计出的局部架体与构件模型，模型的尺寸视实船几何尺度而定。a、b两模型取纵向桁架与实肋板；c模型是由交叉构件和主向梁构成的复合结构；d模型取双层底板架。因模型尺度适中，所以模型破话试验较易进行，d模型在试验中的变形范围及变形量均可对实船结构进行模拟[1]。

1.2浮态设计

由于模型要在水中进行爆炸破坏试验，所以每一个模型都要具备一定浮态，这是确保试验能够顺利进行的基础。按照试验提出的要求，模型所受浮力不能小于其自重，以此使模型可以浮在水面上；此外，又因模型的体积相对较小，可灵活的进行操作，所以并不需要对所有模型都实施浮态分析，保证其自重小于浮力即可。如果模型自重大于浮力，则可采取外加牵引进行处理。

2模型试验仿真分析

2.1设置试验工况

对方案中的四套模型设置三种爆炸试验工况。不同工况的爆炸位置（模型正下方）、药量相同（8kg），不同点为爆炸距离及其形成的冲击因子，爆炸距离按照从远到近的顺序依次为10m、8m和5m，分别对应0.28、0.35和0.57的冲击因子。按以下公式及实船确定炸药包的药量及其与模型之间的距离：

Wm=Wp/3（1）

Rm=Rp/（2）

式（1）、（2）中，Wm表示模型试验药量；Rm表示模型试验爆破距离；Wp表示考核实船药量；Rp表示考核实船爆炸距离；表示模型的缩尺比，本次仿真试验取4[2]。

根据上式计算结果分别设置三种工况：

工况1：在模型正下方放置药包，模型药量、爆炸距离及冲击因子分别为8kg、10m和0.28，对应实船的药量、爆炸距离及冲击因子分别为512kg、40m和0.57；

工况2：在模型正下方放置药包，模型药量、爆炸距离及冲击因子分别为8kg、8m和0.35，对应实船的药量、爆炸距离及冲击因子分别为512kg、32m和0.71；

工况3：在模型正下方放置药包，模型药量、爆炸距离及冲击因子分别为8kg、5m和0.57，对应实船的药量、爆炸距离及冲击因子分别为512kg、20m和1.13。

2.2计算结果

2.2.1模型计算结果

采用ABAQUS仿真软件及声固耦合分析法，按以上三种工况对模型实施仿真计算。

工况1：根据模型的应力分布实测结果可以看出，纵向桁架应力的最大值出现于其两端，数值为412MPa；实肋板应力的最大值也出现在其两端，数值为276MPa；十字交叉梁应力的最大值出现在实肋板与纵向桁架间的交叉位置，数值为325MPa；板架应力的最大值为360MPa。纵向桁架整体细长，长度方向上的加强仅有纵骨，所以其应力相对较大。对十字交叉梁而言，因其有很大的带板，所以受冲击面也很大，但其结构强度与板架相比较弱，因此产生了大于实肋板的应力。根据模型塑性应变实测结果可以看出，纵向桁架塑性应变的最大值为0.06；实肋板塑性应变的最大值为0.04；十字交叉梁塑性应变的最大值为0.04；板架塑性应变的最大值为0.02。由仿真结果可知，纵向桁架发生最大变形的主要原因为加强不足；除纵向桁架外的三种结构有基本一致的最大塑性应变值。实肋板的两端都发生了较为严重的塑性变形，但其中部几乎无变形，这是因为实肋板两端在靠近边界的部位出现了塑性铰。综合以上结果，四套模型在本工况均未出现较大变形和破坏。

工况2：纵向桁架塑性应变的最大值为0.08；实肋板塑性应变的最大值为0.05；十字交叉梁塑性应变的最大值为0.07；板架塑性应变的最大值为0.04。本工况所有模型塑性应变最大值均在0.2以下，说明还未失效破坏，故应继续增大冲击响应。

工况3：模型变形严重，纵向桁架与实肋板均出现了很大的扭曲变形，其塑性应变最大值分别上升到0.17与0.13。如果将这一标准作为实船强度考核的参考，则当冲击因子等于0.57时，结构严重破坏。

2.2.2实船计算结果

在三种工况中，实船和模型的塑性应变对比如表1所示。

由表1可知，与a、b、c三个模型相比，实船塑性应变结果较小。

根据上述结果，a、b两模型可对梁体基于爆炸冲击的塑性动力响应分析方式进行验证；c模型可对交叉梁动力响应分析方式进行验证；d模型可对船体结构局部强度考核提供必要的基础[3]。

3总结

（1）工况1、2的计算结果都没有满足发生破坏的条件。工况3情况下，板架出现局部破坏，破坏处强度丧失。

（2）a模型与工况2对应的计算结果可对梁体动力响应分析进行验证；十字交叉梁计算结果可对交叉梁动力响应分析进行验证；板架计算结果可为强度考核提供参考。

（3）模拟与实船的结果十分接近，说明本方案能使模型变形和实船保持相同，并对其局部强度进行准确的反映。

参考文献：

[1]王军，孙丰，陈舸，祝祥刚.船体典型结构局部强度考核试验模型设计[J].船舶，2013（06）:40-46.

[2]蔡厚平，李明霞.基于改进粒子群算法的大开口甲板板架轻量化设计[J].舰船科学技术，2015（05）:109-113.

[3]胡广旭，姚丽萍，简鸿雁，李蕾，孟梅，刘冰.船体肋板T型结构焊接-火工工艺链连续模拟研究[J].中国造船，2017（01）:115-124.