不同材料圆柱壳对水下爆炸冲击载荷的动力响应

不同材料圆柱壳在水下爆炸冲击载荷作用下的动力仿真分析戴红彬，卢海星，郭焕升，谷青华（中国人民解放军军械工程学院，石家庄，050003）摘要：利用LS-DYNA动力有限元程序对张效慈等人做的深水爆炸水动压力场对潜体结构的动态响应试验进行数值模拟。在此基础上分析了不同材料圆柱壳和不同参数复合材料圆柱壳在水下爆炸载荷作用下的抗冲击性。为舰船的设计提供参考。关键词：爆炸；数值模拟；复合材料；抗冲击性DynamicSimulationofDifferentMaterialCylinderShelltoUnderwaterExplosionLoadDAIHong-bin,LUHai-xing,GUOHuan-sheng,GUQing-hua(OrdnanceEngineeringCollege,Shijiazhuang,050003)Abstract:TheexperimentofdynamiceffectofshipstructureproducedbyunderwatershockandexplosionbubblehasbeennumericallysimulatedwithLS-DYNA.Anddynamicresponseofdifferentmaterialanddifferentparametercompositecylindershelltounderwaterexplosionloadisanalyzed.Thatprovidessomereferencefordesignofshipstructure.Keywords:explosion,numericalsimulation,composite,anti-impact1引言圆柱壳是船舶、潜艇和海洋工程结构物的重要组成部分，研究其在水下爆炸载荷作用下的响应对提高结构物的使用周期有着重要的作用。到目前为止，国内外已对圆柱壳在水下爆炸载荷作用下的动力响应有了很多的研究。R.Rajendran等对长1m，直径为290mm的圆柱壳作了系列水下爆炸载荷作用下的响应试验，测得不同爆炸距离高强度合金钢（HSLA）的应变分布情况[1]。Padraic采用DYNA3D和USA程序相结合计算了圆柱壳在水下爆炸侧向冲击作用下的非线性动态响应[2]。NelsonKW采用DYNA程序研究了铝制圆柱壳在水下爆炸载荷作用下的动态响应和失效问题[3]。Miller等也采用DYNA3D与DAA法相结合，分析了球壳和圆柱壳在水下爆炸冲击波作用下的动态响应，结构周围水介质采用DYNA3D中的流体单元描述，可以分析结构表面的空泡效应，计算结果与实验结果吻合得很好[4]。张效慈等对钢质圆柱壳(直径0.5m，长1m，厚度5mm)进行了1kgTNT在不同距离的情况下，水下爆炸动态响应试验研究，获得了不同部位的应变分布值[5]。王刚等采用对位移和作用力进行Fourier级数展开的方法分析圆柱壳的弹塑性行为，用四阶Runge-Kutla方法进行数值计算，得到了水下圆柱壳在爆炸冲击载荷下弹塑性动力响应的规律[6]。刘忠族等利用Laplace方程描述流场，应用Galerkin方法对流固耦合方程进行简化并数值求解，得到了多层圆柱壳在水下爆炸冲击波作用下的响应特性[7]。姚熊亮等采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对圆筒结构水下爆炸进行数值实验研究，并对流场边界的约束进行讨论，提出人工边界在确定边界约束上的应用[8]。本文用LS-DYNA有限元程序对张效慈等人做的深水爆炸水动压力场对潜体结构的动态响应试验进行数值模拟，模拟结果与试验结果相吻合。并分析了不同金属和复合材料圆柱壳以及不同参数复合材料圆柱壳对水下爆炸载荷的动力响应。2LS-DYNA程序应用简介[9]LS-DYNA是功能齐全的几何非线性、材料非线性以及界面状态非线性的有限元数值计算软件。它以Lagrange算法为主，兼有ALE和Euler算法；以结构分析为主，兼有热分析、流固耦合功能；以非线性为主，兼有静力分析功能。目前，该软件在航空航天、汽车、国防、石油、核工业、电子、船舶、建筑、体育器材等领域都获得了广泛的应用。其使用过程包括：（1）前处理。前处理用ANSYS来完成，主要包括设置Preference选项、选择单元类型和算法、定义实常数、定义材料属性、构建实体模型、有限元网格划分、创建PART、定义接触截面等。（2）求解。求解过程主要包括施加约束、载荷、边界条件，设定初速度以及设置求解过程的控制参数、选择输出文件和输出时间间隔、输出K文件、调用LS-DYNA进行求解。（3）后处理。进入LS-PREPOST进行应力、应变、位移、时间历程曲线等后处理。3数值模拟3.1计算模型数值模拟计算模型是在张效慈[5]等人的试验装置的基础上建立的。钢质圆柱壳直径0.5m，长1m，壁厚5mm，水平卧放在水下7.5m处，将1kgTNT炸药置于离壳体轴线6m处。由于结构的对称性，取一半建立模型可以减少计算时间。炸药和水用solid164实体单元，圆柱壳采用shell163壳体单元，计算模型共划分网格355584个，计算时间为5000µs。计算过程采用ALE算法，通过此方法可以解决网格畸变造成的计算终止问题。ALE算法的特点是每个积分步都包含Lagrange步和Euler步，Lagrange步网格随物质点的运动而运动，Euler步优化网格。3.2模拟结果和试验结果对比图1是爆轰波在水中的传播过程，可以看出，在3400s左右的时候爆轰波到达圆柱壳，在爆轰波的作用下壳体产生变形。为了验证数值模拟的可靠性，将模拟结果与张效慈等人做的试验结果进行对比。表1是迎爆面压力峰值的实验值与计算值的比较。从表中可以看出，LS-DYNA软件基本可以模拟水下爆炸。t=500st=1000st=2000st=3000st=3400st=3600s图1爆轰波在水中的传播过程表1迎爆面压力峰值的实验值和计算值爆距试验计算6m10.7MPa9.13MPa4不同材料圆柱壳对水下爆炸冲击载荷的响应为了比较不同材料圆柱壳对水下爆炸载荷的响应，保持原模型尺寸不变，只改变圆柱壳的材料，分别选择钢、铜、铝合金以及复合材料（环氧树脂）4种材料模拟圆柱壳对水下冲击载荷的响应。4种材料的的参数如表2所示。表24种材料参数材料密度(kg/m3)弹性模量(GPa)泊松比屈服应力(MPa)剪切模量(GPa)钢78302070.350080铜89001280.4248045铝合金2700700.3322526.3环氧树脂3750E11=24.2E22=36.70.1246/6.05表2中E11和E22分别表示复合材料的纵向和周向弹性模量[10]。当炸药量为1kg，爆心到壳体轴线距离为6m，起爆时间为4000s时，4种材料壳体的应力图如图2所示。（a）钢（b）铜（c）铝合金（d）环氧树脂图2钢、铜、铝合金和环氧树脂壳体的等效应力图在壳体的迎爆面上取一个单元，单元编号为355099，画出钢、铜、铝合金和环氧树脂4种材料对应的应力随时间的变化曲线，结果如图3所示。图34种材料应力随时间的变化曲线从图3中可以看出，对于同一单元环氧树脂比其他三种材料的VonMises应力都小，说明在模型尺寸以及爆炸载荷相同的情况下，环氧树脂（复合材料）抗冲击性能最好。5不同参数复合材料圆柱壳对水下爆炸冲击载荷的响应不同参数的复合材料圆柱壳对水下爆炸载荷有不同的响应。为了说明不同参数复合材料对水下爆炸载荷的响应，结构模型尺寸不变，只改变复合材料的密度、弹性模量参数，然后比较各参数对抗冲击性能的影响。分别计算三种复合材料：碳纤维/环氧树脂、芳伦纤维/环氧树脂和玻璃纤维/环氧树脂，三种复合材料的参数如表3所示：表3复合材料的密度和弹性模量材料Ex/GPaEy/GPa密度/kg·m-3碳纤维/环氧树脂180101600芳伦纤维/环氧树脂765.51460玻璃纤维/环氧树脂398.41800表3中的Ex和Ey分别表示平行于和垂直于纤维方向的弹性模量，Ex和Ey分别对应圆柱壳的纵向和周向弹性模量。在壳体的迎爆面上取一个单元，单元编号为353585，画出三种复合材料对应的应力随时间的变化曲线，结果如图4所示。图43种不同参数复合材料应力随时间的变化曲线从图4中可以看出，在模型尺寸和爆炸载荷相同的情况下，不同参数的复合材料表现的抗冲击性能不同。玻璃纤维/环氧树脂的应力最小，碳纤维/环氧树脂的应力最大，也就是说玻璃纤维/环氧树脂的抗冲击性能最好。对照表3可知，玻璃纤维/环氧树脂平行于和垂直于纤维方向的弹性模量都较小，因此要提高抗冲击性应该选择弹性模量小的复合材料。6结论利用非线性有限元程序LS-DYNA对圆柱壳在水下爆炸载荷作用的响应进行数值模拟分析，在结构模型尺寸不变爆炸载荷相同的情况下，选择不同的材料以及选择不同参数的复合材料分别进行计算，得到以下结论：1）环氧树脂（复合材料）比钢、铜铝合金金属材料的抗冲击性强。2）弹性模量小的复合材料的抗冲击性强。因此，要增强圆柱壳的抗冲击性应选择弹性模量较小的复合材料，为提高舰船的抗冲击性提供参考。参考文献：[1]RRajendran.Linearelasticshockresponseofplaneplatessubjectedtounderwaterexplosion.InternationalJournalofImpactEngineering,25(2001):493-506.[2]PadraicKFox.NonlinearDynamicResponseofCylindricalShellsSubjectedtounderwaterside-onExplosions[R].ADA252856.1992.[3]KurWNelson.Dynamicresponseandfailureanalysisofaluminumcylinderssubjectedtounderwateresplosion[R].ADA256721.1992.[4]MillerRD.OntheexplicitmodelingoffluidregionsusingDYNA/DAA[A].Proceedingsofthe64thshockandVibrationSymposium[C].1993，II435-445.[5]张效慈,李玉节,赵本立.深水爆炸水动压力场对潜体结构的动态影响[J].中国造船,1997,38(4):61-68.[6]王刚,陈铁云.圆柱壳在水下径向爆炸载荷下的弹塑性动力响应[J].上海交通大学学报,1997,31(11):106-111.[7]刘忠族,钟伟芳,黄玉盈.水下爆炸冲击波作用下多层圆柱壳的动力响应[J].华中理工大学学报,1997,25(9):100-103.[8]姚熊亮,王玉红,史冬岩.圆筒结构水下爆炸数值实验研究[J].哈尔滨工程大学学报,2002,23(1):5-8.[9]白金泽.LS-DYNA3D理论基础与实例分析[M].北京:科学出版社,2005.[10]刘士光,张涛,岳建军.水下爆炸冲击载荷作用下加筋复合材料浸潜壳体结构的动力响应[J].舰船科学技术,2005,27(6):26-29.作者简介：戴红彬（1979－），男（汉族），安徽宿州人，中国人民解放军军械工程学院基础部力学讲师，现在从事爆炸力学和计算力学研究.电话（Tel.）：0311-87994073；Email：[e-mail].地址：石家庄和平西路97号军械工程学院基础部力学，邮编：050003。卢海星（1974），男（汉族），黑龙江牡丹江人，中国人民解放军军械工程学院研究生院讲师，现从事计算力学研究。郭焕升（1979），男（汉族），山西太谷人，中国人民解放军军械工程学院基础部讲师，现从事机械加工工艺研究。谷青华（1975），女（汉族），河北新乐人，中国人民解放军军械工程学院基础部力学讲师，现从事军事装备教学科研工作。