凸型加筋锥柱结合壳深水爆炸失稳特性研究_龙仁荣.pdf

凸型加筋锥柱结合壳深水爆炸失稳特性研究龙仁荣，廖晨，张庆明，汪海洋，刘博文（北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081）摘 要：为研究凸型加筋锥柱结合壳结构在深水爆炸载荷作用下的动力学响应以及在此过程中伴随的失稳特性，采用 ABAQUS 有限元软件中的声固耦合算法开展了 300 500 m 水深条件下深水爆炸数值模拟研究，基于结构挠度变化的失稳判据，分析总结了加筋锥柱结合壳的失稳模式，获得了加筋锥柱结合壳临界失稳载荷和临界失稳挠度随水深和壳体结构参数的变化规律.结果表明，水深条件、壳体半径、壳体厚度以及结构锥角对结构稳定性有较大影响，而腹板厚度对结构的稳定性影响不大.在此基础上，运用量纲分析的方法结合模拟得到的临界失稳数据建立了结构在常见失稳模式下结构临界失稳判据的计算公式.关键词：加筋锥柱结合壳；深水爆炸；失稳特性中图分类号：O383 文献标志码：A 文章编号：1001-0645(2023)03-0240-12DOI：10.15918/j.tbit1001-0645.2022.069Instability Study on Deep-Underwater-Explosion of ConvexRing-Stiffened Cone-Cylinder Combined ShellLONG Renrong，LIAO Chen，ZHANG Qingming，WANG Haiyang，LIU Bowen（State Key Laboratory of Explosion Science and Technology,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China）Abstract：The dynamic response process and the instability of convex ring-stiffened cone-cylinder combinedshell with the deep-water explosion load in the range of 300500 m depth was obtained by ABAQUS numeric-al simulation method.Based on the stability criterion of the structural deflection change,the critical instabilityload and deflection of the cone-cylinder combined shell under different parameter conditions was summarizedand the factors affecting the stability of ring-stiffened cone-cylinder combined shell were evaluated.The resultsshow that there are three different instability mode with different structure dimension parameters,and the waterdepth conditions,the shell radius,the shell thickness,and the cone angle of the ring-stiffened cone-cylinder com-bined shell have a great influence on structural stability,while the thickness of the ribs has little effect on thestructure stability.Finally,a calculation formula for structural critical instability in common instability mode isestablished by dimensional analysis.Key words：ring-stiffened cone-cylinder combined shell；deep-underwater-explosion；instability characteristic 国内外针对水面舰船结构在水下爆炸载荷作用下的动态响应和毁伤特性的研究比较充分1 3，与水面舰船不同，深潜设备被深水炸弹、鱼雷攻击时，结构受到爆炸载荷作用外，还受高静水压作用，其变形破坏特征更为复杂，为保证其正常的水下作业以及设备内人员的生命安全，对典型深潜结构的动态响应和稳定性研究十分必要.现有爆炸冲击载荷下典型结构的动态响应和稳定性研究多以圆柱壳、加筋圆柱壳为主.LI 等4对含内介质圆柱壳在侧向接触爆炸作用下的变形形态进行了实验研究，并采用解析方法对其变形过程和形状进行了分析和讨论.刘东等5采用 ABAQUS 有限元软件模拟了环肋圆柱壳在水下爆炸冲击下的动态响应，分析了不同因素对结构的影响并提出了最经济的肋骨布置方式.乐智斌等6通过将圆柱壳的结构刚度分为薄膜刚度与弯曲刚度，得出静水压力下 收稿日期：2022 03 21基金项目：国家自然科学基金联合基金项目(U1230130)作者简介：龙仁荣(1982)，男，博士，副教授，E-mail：.第 43 卷第 3 期北 京 理 工 大 学 学 报Vol.43No.32023 年 3 月Transactions of Beijing Institute of TechnologyMar.2023圆柱壳结构屈曲的主要原因是周向薄膜刚度减少的结论.GANNON7设计了内加筋圆柱壳的近场爆炸实验，得到了结构的动态响应过程并与数值仿真结果进行了对比验证.李庆亚等8分别用显式和隐式两种非线性算法比较加筋圆柱壳结构不同结构几何参数对结构临界屈曲载荷的计算结果差异，并给出了显示非线性算法分析的适用范围.HUANG 等9设计了一种圆管加筋肋的新型加筋方式，采用实验和数值仿真方法对新型加筋方式圆柱壳与传统 T 型加筋圆柱壳在水下爆炸载荷作用下的动态响应性能进行对比，并探讨了结构参数对整个结构冲击性能的影响.谢富佩等10通过数值模拟研究了复合圆柱壳结构在径向均布炸药爆轰作用下的稳定性问题，并提出了一种基于圆柱壳内壁粒子速度历史的失稳判据.锥柱结构被应用于现代深潜设备头尾部，其在受到深水爆炸载荷作用时的受力及变形情况比圆柱壳结构更为复杂.郭日修等11通过大量含凹、凸型加筋锥环柱结构的静压实验，总结出锥环柱结构的多种破坏模式，提出并验证了加肋锥环柱结合壳应力和稳定性的计算方法和计算程序.夏伟韦等12运用数值模拟方法，较为系统地讨论了不同锥壳半顶角、锥形比与径厚比参数下三种锥柱结合壳形式临界失稳压力的变化规律.梁浩哲等13进行了典型加筋凸结构深水爆炸实验和数值模拟，获得了凸结构的破坏模式及其转变演化过程和演化机理.由以上研究可以看出，目前学者对加筋锥柱结合壳在静水压下的稳定性研究取得了很大的进展，而在深水爆炸复杂载荷下的稳定性研究还尚欠缺.本文以凸型加筋锥柱结合壳为研究对象，通过数值仿真模拟其在 300500 m 水深环境中受到爆炸载荷作用下的动态响应过程，并分析不同因素对加筋追逐结合壳失稳特性的影响.1 数值计算模型 1.1 数值计算模型本文使用 ABAQUS 有限元软件模拟加筋锥柱壳结构在 300500 m 水深环境下的动力学响应过程，采用声固耦合算法，运用散波公式，将计算出的结构表面某点处的压力时程曲线导入，软件会自动计算流场中其余各点的压力分布.本文数值仿真分为两步完成：首先采用 ABAQUS/Standard 静力学分析方法获得结构仅在静水压力作用下的应力状态，然后采用 ABAQUS/Explicit 动力学分析方法将前一步中获得的应力状态以初始条件的形式施加到结构上，在保留静水压力的同时在结构上施加爆炸载荷，获得最终的动态响应结果.本文计算模型参照梁浩哲等13的深水爆炸实验，装置结构示意图如图 1 所示，结构柱段与锥段长度均为 560 mm，其中，柱段直径为 600 mm，锥段处最小直径为 200 mm，锥角为 20，结构壳体厚度 4 mm，T型加筋肋骨面板宽度 12 mm，厚度 4 mm；T 型加筋肋骨腹板高度 36 mm，厚度 2 mm，肋骨间距 80 mm.装置结构仿真模型示意图如图 2 所示，仿真模型中对结构的封头进行等效简化，将原实验结构的椭球封头等效为平板，以刚性连接等效壳体与非支撑、法兰之间的连接.加筋锥柱结合壳采用壳单元网格，水域网格采用声学网格.560 mm80 mm600 mm4 mm200 mm800 mm4 mm12 mm2 mm36 mm爆炸560 mm图 1 凸型加筋锥柱结构机械设计图Fig.1 Structure design drawing of reinforced conical-cylinder 图 2 凸性加筋锥柱结构的数值仿真图Fig.2 Simulation model of reinforced conical-cylinder structure 实验中加筋锥柱结合壳材料为 Q345 钢，塑性部分使用 Johnson-Cook 材料模型，本文仅计算结构的变形结果，因此数值仿真中不涉及材料断裂特性.=(A+Bn)(1+Cln )(1Tm)（1）0=/0TT=(T Troom)/(TmeltTroom)式中：为等效塑性应变，为=1.0 s1的量纲一塑性比，；为相对温度，；A 为屈服应力(MPa)；B 为应变硬化系数(MPa)；n 为应变硬化指数；C 为应变率相关系数；m 为温度相关第 3 期龙仁荣等：凸型加筋锥柱结合壳深水爆炸失稳特性研究241系数，其具体材料参数如表 1 所示，表 1 中 为材料密度，E 为材料杨氏模量，为材料泊松比.表 1 Q345 的 J-C 模型参数Tab.1 Parameters of J-C model of Q345/(kgm3)E/GPaA/MPaB/MPanCm7 8502100.283756300.520.0321.03 通过添加载荷历史来给结构添加爆炸载荷，深水爆炸载荷包含冲击波载荷以及气泡脉动载荷，为完整描述深水爆炸的整个过程，梁浩哲14对现有水下爆炸模型中的冲击波指数衰减段和气泡脉动压力阶段的相关参数进行了修正，获得了更加适用于深水环境的深水爆炸载荷修正模型，其曲线如图 3 所示，修正后的模型如下.202468101214161801020304050压力/MPa时间/ms图 3 深水爆炸载荷曲线（水深 300 m，炸药质量 350 g TNT,爆距 0.8 m)Fig.3 Loading curve of underwater explosion(water depth=300 m,explos-ive mass=350 g TNT,distance=0.8 m)冲击波指数衰减阶段：pD(t)=pmDetD，0 t D（2）pmD=5.24107(p010patm)0.035|m13R|1.13,30 RR0 240（3）D=3.5(p010patm)0.4R0clgRR00.9,30 RR0（4）冲击波导数衰减段：p(t)=0.368 pmDt|1(ttp)1.5|,t t1（5）t1=R0cRR011.4+10.06(R0R)0.131.51(R0R)1.25（6）tp=R0c|850(p0patm)0.8120(p0patm)13+11.41.06(R0R)0.13+1.51(R0R)1.25（7）冲击波导数衰减后段：p(t)=p|1(ttp)1.5|p,t1 t tp（8）p=7.173108R0RcR06.2+1.06(R0R)0.131.51(R0R)1.260.87（9）p=(R0R)4|5 435(cR0)0.54