蜂窝式夹层板结构单元的防护性能分析

第30卷第6期　

2008年12月舰　船　科　学　技　术

SHIPSCIENCEANDTECHNOLOGYVol.30,No.6

Dec.,2008

蜂窝式夹层板结构单元的防护性能分析

张延昌

1,2

,顾金兰,王自力

11

(1.江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江212003;2.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200030)

摘　要:　基于某舰船的船底板架,设计出了四边形蜂窝夹层板结构单元,、等效平板、夹

层板在典型工况(炸药量500kg,爆距15m),同时对比分析不同冲击因子下3种结构的防护性能。分析表明,2/3～1/3处,一定程度上改善了冲击环境,关键词:　舰船结构;非接触水下爆炸;中图分类号:　U66114:文章编号:　(-0108-06　DOI:1013404/j1issn11672-7649120081061022

onanti2shockcapacityofsquarehoneycombsandwichplane

ZHANGYan2chang,GUJin2lan,WANGZi2li

1,2

1

1

(1.JiangsuUniversityofScienceandTechnology,Zhenjiang212003,China;2.SchoolofNavalArchitecture,

OceanandCivilEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030,China)Abstract:　Basedontraditionalshipbottomstiffenedplate,squarehoneycombsandwichplanewasdesignedinthispaper.Thenthedeformation,displacement,distortionalenergyandmotionresponseofthreedifferenttypeplatenamelytraditionalstiffenedplate,equivalentplateandsquarehoneycombsandwichplanewereinvestigatedwithexplosiveweight500kgandexplosiondistance150m.Theanti2shockcapacitywasthenfurtherstudiedwithdifferentshockfactors.Resultsshowthatthedeformationofsquarehoneycombsandwichplaneis2/3～1/3tothestiffenedplate,anditsshockenvironmentisalsobeenimproved.Squarehoneycombsandwichplaneownsasuperioranti2shockcapacitythanothertwoplates.

Keywords:　shipstructure;non2contactunderwaterexplosion;squarehoneycombcoresandwichplane;anti2shockcapacity

0　引　言

舰船作为海上交战双方的作战平台,从它诞生起,就面临敌方武器攻击爆炸所产生的冲击威胁。舰船抗水下非接触爆炸的能力直接关系到舰船的生命力。舰载武器、管道线路以及众多的电子设备对船体变形有严格的要求。因此,设计优良的抗爆结构,减

[1]

小爆炸时结构的变形是非常重要的。

夹层板结构广泛应用于轻型交通工具系统结构设计,其主要优点:比强度高、减少焊缝焊接工作量及

焊接变形、绝缘性能好、设计多功能性、强降低噪声等。国内外学者对蜂窝式夹层板的耐撞性能和

[4-6]

船舶夹层板结构的耐撞性能开展了研究。随着舰船高新技术的发展,夹层板结构在舰船上的应用研究得到了越来越多的关注。

本文以某舰船中部双层船底板架结构单元为研究对象,设计出四边形蜂窝夹层板结构单元,通过数值仿真比较分析其与船底板架和等效平板单元在水下爆炸冲击波作用下的变形损伤、吸能和运动响应。

[2-3]

收稿日期:2008-05-22

作者简介:张延昌(1977-),男,博士研究生,讲师,主要研究方向为船舶结构强度、结构耐撞性以及舰船防护结构设计。

　第6期张延昌,等:蜂窝式夹层板结构单元的防护性能分析 109

1　蜂窝式夹层板结构单元设计

本文选取某舰船中部双层船底一个纵桁和肋板间距的船底板架单元为研究对象,如图1(a)所示的加筋板。将船底板架的纵骨重量均匀分布到板上得到如图1(b)所示的等效平板。四边形蜂窝夹层板设计思路:在重量相等的前提下,夹层板长宽尺寸等于加筋板的长宽尺寸,夹芯层高度等于纵骨腹板高,夹芯层壁厚为014mm;下蒙皮为318mm,上蒙皮为418mm。结构尺寸具体如图1(c)所示

。

宽划分32个单元纵骨高度上划分4个单元;夹层板上下蒙皮板划分64个单元,夹芯高度上划分6个单元。

材料参数采用Cowper2Symonds弹塑性材料

(DMAT24),密度ρ=7800kg/m3,泊松比γ=013,弹性模量E=210GPa,最大塑性应变为013,应变率敏感模型为Cowper2symonds模型

[7]

:

σσs=1+()P。

其中,ε,,D和P,=5。

:,在四周。由平板()和上述虚拟面板组成了耦合面,本文采用一般耦合算法(Generalcoupling)。边界条件为:等效平板、夹层板的下蒙皮的四周如结构模型图1(a)所示加筋板的平板边界a:v=w

=0,θ纵骨、夹芯x=0;边界b:u=w=0,θy=0。

图1　结构模型图

Fig.1　Dimensionofconstructions

与上蒙皮与耦合面重合的节点的约束与边界a、b相比没有限制z方向的线位移。212　水域模型

2　计算模型

211　结构有限元模型

水域划分为与基本坐标系平行的Hex类型EULER单元。为了提高计算效率,中心部分水域划

分较细,单元边长为013m,其余部分水域划分较粗。水域四周和顶部设置成流出边界以防止冲击波的反射,四周边界设密度边界条件1000kg/m,顶部取压力边界条件一个大气压。

水的状态方程参数:

23

P=a1μ+a2u+a3μ+

　(b0+b1μ+b2μ+b3μ)ρ0e　μ>0拉伸μ<0压缩其中,e为单位质量内能,e=83250J/kg;ρ0为材料参考密度,ρ为总体材料密度,μ=0=1000kg/m,ρ(ρ0)-1;

a1=2118×10Pa,a2=6169×10Pa,a3=1115×10

109

9

32

3

[8]

3

根据结构模型建立有限元模型如下

:

P=a1μ+

(b0+b1μ)ρ0e　

Pa,b0=b1=b2=b3=0。

[9]

通过调整水状态方程参数,可以使冲击波峰值压力与经验公式比较符合

图2　结构有限元模型

Fig.2　FEMmodel

。

213　炸药模型

本文炸药在MSC.DYTRAN中炸药的状态方程采用标准JWL方程。其表达式为:

-R-Rρ　P=1-eη+B1-eη+wη。0e

RR[8,10]

建立有限元模型如图2所示,3种结构都采用2

维四边形壳单元划分网格。船底板架和等效平板长

110 舰　船　科　学　技　术

9

第30卷

对于TNT炸药来说,A=37112×10Pa,B=

9

31231×10Pa,R1=4115,R2=0195,w=013,ρ0=1640kg/m,爆轰速度D=6930m/s,单位质量内能

e=4119×10J/kg。

63

214　计算工况

首先分析3种结构单元在炸药量W=500kg放置在结构正下方r=15m处引爆,产生水下冲击波作用下的动态响应,然后系统计算分析夹层板的防护性能。计算工况参见表1。

3　本部分主要分析在炸药量W=500kg,爆距r=15m水下爆炸引起的冲击波载荷作用下,结构的损

伤变形、吸能及运动响应。311　结构单元损伤变形比较分析

图3给出了没有结构时距离爆心15m处500kgTNT炸药水下爆炸时产生的冲击波压力时间曲线,压力峰值和经验公式吻合较好。图4给出了500kgTNT炸药,爆距为15m,计算到0102s时3种结构的变形云图(放大比例为2);图5给出了此工况下不同结构中心点的位移时间曲线

。

为01047m。夹层板中心处最大位移为等效平板、加筋板的31%,40%。可见,相同爆距和炸药量的情况下,夹层板的位移远小于普通船体板架。

2)3种结构的损伤变形都具有整体性,变形范

围大。等效平板是边界处先产生转角拉伸变形,然后逐渐中部上拱,中心点位移最大。船底板架的纵骨随着平板一起变形,起协调变形的作用,在边界处褶曲变形,夹层板的夹芯在冲击波载荷下夹芯边界处先产生位移,然后中部整体上拱 …… 此处隐藏：6435字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……