等效爆炸载荷下FRP船体结构的性能比较

第 29 卷增刊 I Vol.29 Suppl I 工 程 力 学 2012 年 6 月 June 2012 ENGINEERING MECHANICS 176 ——————————————— 收稿日期：2011-04-28；修改日期：2011-12-03 基金项目：国家 863 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项目(2007AA03A208)；威海市科技攻关项目(2008-169) 通讯作者：边文凤(1963―)，女，黑龙江人，教授，博士，博导，土木 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 系副主任、复合材料与结构所副所长，从事复合材料结构力学、船舶 动力学研究(E-mail: bianwf@163.com). 作者简介：吴忠友(1964―)，男，江苏人，高工，总经理，从事复合材料船体结构研究(E-mail: wuzhy@ccgc.com.cn)； 白光辉(1986―)，男，山东人，硕士，从事船舶结构力学研究(E-mail: white_202404@yahoo.com.cn)； 苗会文(1965―)，女，山东人，工程师，从事复合材料船艇制造(E-mail: miaohw@ccgc.com.cn). 文章编号：1000-4750(2012)Suppl I-0176-04 等效爆炸载荷下 FRP 船体结构的性能比较 边文凤 1，吴忠友 2，白光辉 1,3，苗会文 2 (1. 哈尔滨工业大学(威海)土木工程系，威海 264209；2. 中复西港船艇有限公司，威海 264209；3. 中航光电科技股份有限公司, 洛阳 471003) 摘 要：水下爆炸对船体的作用一是直接压力，另一个是使船体产生加速度，而且，不仅仅是船体产生加速度， 其附加质量(也称附连水质量)也产生相应的加速度，即：爆炸要同时改变船体和附加质量的动量和动能。水下爆 炸作用下结构物的相应研究极其复杂，计算量极大。该文以复合材料船体结构形式选型为目的，根据能量原理、 动量原理和达朗贝尔原理，将爆炸载荷等效为静载。研究 5 种船体构造形式对此等效静载的响应，据此选择船体 结构形式。5 种船体型线相同，结构形式分别为单板横向加筋、单板纵向加筋、单板双向加筋、硬壳式和夹层式 结构，在船体所受外载相同，船体重量相等的条件下，通过有限元法， 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 等效水下爆炸载荷下船体的响应与性 能。根据船体的应力与变形分析，对其强度、刚度、剖面模数及综合性能进行比较，为结构选型提供数值分析依 据。挑选出既符合结构性能，又能满足使用要求的结构形式。 关键词：船体结构；水下爆炸；等效静态；综合性能；复合材料 中图分类号：U661.39; U661.4 文献标志码：A doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.S031 COMPARISON ON STRUCTURAL PERFORMANCE OF FRP HULLS UNDER EQUIVALENT EXPLOSION LOADING BIAN Wen-feng1 , WU Zhong-you2 , BAI Guang-hui1,3 , MIAO Hui-wen2 (1. Department of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology (Weihai), Weihai 264209, China; 2. Zhongfu Xigang Ship Co., Ltd., Weihai 264209, China; 3. China Aviation Optical-Electrical Technology Co., Ltd., Luoyang 471003, China) Abstract: One effect from an underwater explosion on ship hulls is the direct pressure, and the other is to create acceleration. Furthermore, the acceleration is not only created by ship hulls, but also by additional mass, which is also known as additional water mass, namely the explosion changes momentum and kinetic energy of ship hulls and additional mass at the same time.The research on a structure under an underwater explosion is very complex and has a huge quantity of calculation. For the purpose of selecting a composite hull structure, explosion loading is equivalent to static loading by means of an energy principle, the momentum principle and d’Alembert principle. According to the response of five different hull structures to equivalent loading, we select a hull structure. To the same molded lines of five different hull structure forms as longitudinal framing, transverse framing, a combined system, a hard-shell form and a sandwich form, the same loading and equal weight as a condition, the ship’s response created by an equivalent underwater explosion loading need to be analyzed by the finite element method. With the analysis of ship’s stress and displacement, we compare the strength, rigidity, section modulus and comprehensive performance of a ship to provide a numerical analysis reference for a structure selection. One structure form should be selected not only conforms to a structural performance, but also satisfies the use 工 程 力 学 177 requirement. Key words: hull structure; underwater explosion; equivalent static; comprehensive performance; FRP 水下爆炸对船体的作用，是特种船艇必须研究 的问题。刘建湖应用舰船非接触水下爆炸动力学的 理论，研究了声学材料流固相互问题[1]；Jong-Chul Kim 等做了船体模型实验，得出了船体在水下爆炸 载荷下的响应结果[2]；罗超等应用声固耦合算法模 拟整船的水下爆炸响应 [3] ；陈永念等采用 MSC.Dytran 有限元程序研究了某型水面舰船在水 下爆炸冲击波载荷作用下的动态响应，并从结构的 变形损伤形式、能量吸收和冲击环境等几个方面研 究了舰船结构在水下爆炸载荷作用下的破坏机理 和响应特征[4―5]；姚熊亮等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[6]；严波等对 舱室爆炸载荷作用下舷侧防护结构的响应进行了 研究[7]。在工程上分析水下冲击造成的船舶时程动 态响应[8]，第一种方法采用流固耦合方程表征爆炸 波作用在船壳上的负荷以及壳体运动引起流固耦 合界面上动态载荷的变化，对船体周围的流体不需 要做详尽的模拟。这实际上是有限元/边界元方法混 合方法。第二种方法的有限元模型包括了船体周围 的流体、传播着的冲击波和船体结构，因此模型相 当大，计算量巨大。 本文按照 Cole 和 Zamyshlyayev 提出的有关方 程，对爆炸冲击载荷进行静态等效转换。在相同炸 药量，相等距离的情况下，对船体进行正前方爆炸 和正侧面爆炸的等效爆炸载荷计算，并对相对危险 的一种情况进行分析。 1 载荷计算与选型原则 1.1 载荷计算 按照选型的前提条件，5 种不同结构船体的重 量是大体相同的，如表 1。 表 1 不同结构船体重量 Table 1 Weight of the hull 结构形式 重量/t 双向加筋 232.56 纵向加筋 233.59 横向加筋 232.67 硬壳式 232.95 夹层式 232.57 船体的固定设备，如主机、液压吊等通常简化 为集中力或者面压力的形式添加到有限元模型上， 本文将这类载荷简化为面压力。 1.2 等效爆炸载荷 本文对船体进行正侧面爆炸研究。爆炸对船体 的作用一是直接压力，另一个是加速度。而且，不 仅仅是船体有加速度，质量也产生加速度。即：爆 炸也改变附连水的动量和动能。根据文献[9]的原理 方法，所确定的面压力见表 2。 表 2 面压力及加速度计算数值 Table 2 Calculated surface pressure and acceleration 方向 加速度/(m/s2) 面压力/MPa y 41.8057 0.1841 z 93.7565 0.2185 1.3 选型原则 根据船体的使用要求、功能要求及以往的设计 经验，文献[10]建立了选型 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 、选型途径、选型 前提条件、选择结构类型和比较对象。经过实践应 用，此原则可行，本文也采用之。 2 有限元计算与结果分析比较 2.1 船体建模 根据总体尺寸及型值表，建立三维有限元模 型。模型主要采用板壳(shell)单元和梁(beam)单元。 板壳单元主要模拟船体的外壳、各甲板及舱壁。本 模型中以四边形单元为主，在形状变化较大处或连 接处使用三角形单元。梁单元主要模拟各桁架及加 强筋。按照以上原则，由于 5 种结构不同船体的型 线相同，本文对网格的划分也趋于一致，只是材料 属性定义，以及梁单元的截面尺寸和位置不同。 2.2 响应值的单项比较 根据文献[10]的结构选型原则进行研究。综合 比较中需要分析对象的一些比值，此时，取双向加 筋结构为比较基准，其值为 1。 1) 应力对比与强度分析。 5 种结构最大主应力、最大剪应力如表 3。 根据 Tsai S W 最大能量准则： 2 22 2 2 2 1 y x y xyx Bx ByBx By Bxy            (1) 真空灌注成型， =Bx 300MPa； =By 300MPa； Bxy =150MPa。利用式(1)计算艇体上具有代表性的 178 工 程 力 学 结点应力，各结构的多项式最大值见表 4。 表 3 最大主应力和最大剪应力 Table 3 Maximal principle stress and shearing stress 结构形式 最大主应力/MPa 最小主应力/MPa 最大剪应力/MPa 双向加筋 27.7 26.3 22.9 纵向加筋 28.3 24.6 26.7 横向加筋 25.1 24.5 21.9 硬壳式 19.9 19.0 18.8 夹层式 20.3 19.9 21.3 表 4 多项式最大值 Table 4 Polynomial maximum 结构形式 多项式值 双向加筋 0.0178 纵向加筋 0.0195 横向加筋 0.0131 硬壳式 0.0138 夹层式 0.00475 2) 横截面位移包络面积。 横截面位移包络面积大小表征吸收能量的能 力。中横剖面处位移包络面积比值见表 5，A 依据 原始计算的位移数据；B 依据上甲板和船底中心固 定的位移数据；C 依据船底中心固定的位移数据。 表 5 中横剖面处横截面位移包络面积比值 Table 5 Ratio of cross section displacement envelope area in midship section 结构形式 A B C 双向加筋 1 1 1 纵向加筋 0.914 0.954 0.931 横向加筋 0.939 0.996 0.907 硬壳式 1.074 1.012 0.941 夹层式 0.594 0.589 0.524 3) 应变值。 材料相同时，应变比值越小，距离破坏越远。 采用应变比值倒数表示结构性能，比值倒数越大性 能越好。最大应变值比值倒数如表 6。 表 6 最大应变值比值倒数 Table 6 Reciprocal ratio of maximum strain 结构形式 比值倒数 双向加筋 1 纵向加筋 1.062 横向加筋 1.027 硬壳式 1.423 夹层式 1.388 并且这 5 种结构的应变值均远小于极限应变 εx=0.004，硬壳式结构为最小。 4) 垂向挠度和横向挠度。 图 1 表示 5 种不同结构船体中线面上基线结点 的 z 向变形曲线。可以看出，硬壳式结构 z 向挠度 最小，纵向加筋和横向加筋 z 向挠度较大。 图 1 5 种不同结构船体中线面基线结点的 z 向变形曲线 Fig.1 z-deformation curve of middle line plane baseline node 图 2 表示 5 种不同结构船体中站面迎爆截面结 点的 y 向变形曲线。可以看出，硬壳式结构 y 向挠 度最小，横向加筋 y 向挠度较大。 图 2 5 种不同结构船体中站面迎爆截面结点的 y 向变形 Fig.2 y-deformation curve of midstation plane explosion-oriented section node 2.3 综合性能比较 1) 结构剖面性能比较。 由于 5 种结构船体弯矩和弹性模量相同，故变 形量与惯性矩大小成反比，惯性矩比值大，变形量 越小，性能越好。同时，船体剖面模数也是表征船 体结构抵抗弯曲变形能力的一种几何特性，也是衡 量船体强度的一个重要标志，弯矩一定时，剖面模 数越大，最大应力越小，性能越好。中横剖面惯性 矩比值以及剖面模数比值如表 7 所示。可以看出， 硬壳式结构中横剖面惯性矩和剖面模数最大。 表 7 中横剖面惯性矩比值以及剖面模数比值 Table 7 Ratio of inertia moment and section modulus in midship section 结构形式 中横剖面惯性矩 甲板剖面模数 船底剖面模数 双向加筋 1 1 1 纵向加筋 1.081 1.126 1.013 横向加筋 0.998 1.013 0.974 硬壳式 1.104 1.152 1.033 夹层式 1.076 1.129 0.998 根据文献[10]的比较对象，其中工艺性能由于 无法进行量化比较，因此把它放在最后进行比较； 100 垂 向 挠 度 /m m 0 100 0(船舯) 船长向位置/m 6 6 12 18 12 18 硬壳式 夹层式 纵向加筋 横向加筋 双向加筋 硬壳式 夹层式 横向加筋 纵向加筋 双向加筋 12 横 向 挠 度 /m m 0 12 3.0 船深向位置/m 4.5 6.0 7.50 1.5 工 程 力 学 179 而最大极限变形(局部弹性应变能)即表 4 中的 Tsai S W 多项式最大值，由于夹层结构的比值与其他几 种结构相比差距太大，会干扰比较结果，且多项式 值均远小于破坏值 1，故暂不列入比较；总纵极限 强度与惯性矩和剖面模数有关，所以分别进行综合 比较。比较对象为总纵极限强度、中横剖面横向变 形、最大应变值的综合比较，见表 8、表 9 和表 10。 权重取值为 0.25∶0.375∶0.375。 表 8 第一组总权重数值 Table 8 Total weight of the first group 结构形式 A B C 双向加筋 1 1 1 纵向加筋 1.011 1.026 1.018 横向加筋 0.987 1.008 0.974 硬壳式 1.212 1.189 1.163 夹层式 1.013 1.011 0.986 表 9 第二组总权重数值 Table 9 Total weight of the second group 结构形式 A B C 双向加筋 1 1 1 纵向加筋 1.023 1.038 1.029 横向加筋 0.991 1.012 0.978 硬壳式 1.224 1.201 1.175 夹层式 1.026 1.024 0.999 表 10 第三组总权重数值 Table 10 Total weight of the third group 结构形式 A B C 双向加筋 1 1 1 纵向加筋 0.994 1.009 1.000 横向加筋 0.981 1.002 0.968 硬壳式 1.194 1.171 1.145 夹层式 0.993 0.991 0.966 下面分三组进行综合比较。每一组都有 3 种数 据处理方式。A、B、C 的意义同于 2.2 节。 2) 惯性矩、包络面积、应变的综合比较。 总权重=惯性矩比值×权重+包络面积比值×权 重+应变比值倒数×权重。 由表 8 可以看出，硬壳式结构总权重数值在 3 种数据处理方式下均为最大。 3) 甲板剖面模数、包络面积、应变的综合 比较。 总权重=甲板剖面模数比值×权重+包络面积比 值×权重+应变比值倒数×权重。 由表 9 可以看出，硬壳式结构总权重数值在 3 种数据处理方式下均为最大。 4) 船底剖面模数、包络面积、应变的综合比较。 总权重=船底剖面模数比值×权重+包络面积比 值×权重+应变比值倒数×权重 由表 10 可以看出，硬壳式结构总权重数值在 3 种数据处理方式下均为最大。 3 结论 本文根据船体结构性能要求，共考虑单板横向 加筋、单板纵向加筋、单板双向加筋、硬壳式和夹 层式 5 种结构 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 。在正侧面爆炸情况下分别 对 5 种不同构造形式船体进行有限元分析。通过各 响应值的单项比较以及综合性能比较，得出结论 如下： (1) 根据以上综合比较，硬壳式结构在 3 种情 况下总权重值最大，故在结构剖面性能综合比较中 是相对最优的。 (2) 对于工艺性能，硬壳式结构由于真空灌注 成型方便，也是相对最优的。 (3) 对于最大极限变形(局部弹性应变能)，夹层 结构和横向加筋结构优于硬壳式结构。虽然夹层结 构具有很大优势，但因目前市场上高质量芯材需进 口，价格较高，不利于降低造价，且取材受制于人， 故夹层结构可暂不考虑。而横向加筋结构的比值倒 数只比硬壳式结构大 0.064，所以即使将此因素考 虑在内，也无法改变硬壳式结构相对最优的比较结 果。 经过一系列计算、分析和综合比较，硬壳式结 构是既符合结构性能满足使用要求，又满足艇体自 重轻、造价低、选材容易、成型方便的综合最优的 结构形式。 参考文献： [1] 刘建湖. 舰船非接触水下爆炸动力学的理论与应用 [D]. 无锡: 中国船舶科学研究中心, 2002. 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