舰船球鼻艏结构抗冲击性能研究

摘要

球鼻艏结构是水面舰船上一个极其特殊的部位，其光顺的型线设计可以减小兴波阻力，提高舰船的机动性；同时它又装载了舰船侦察水下敌情的声呐设备，承担着保护声呐不受波浪抨击及远场爆炸载荷损坏的任务，其重要性不言而喻。然而当前对球鼻艏强度的文献及规范主要针对静水压力及极限海况下波浪抨击力等常规情况下球鼻艏的安全性，较少考虑到在作战任务中球鼻艏受到爆炸冲击波及气泡载荷时结构的响应情况。因此对球鼻艏受到水下非接触爆炸载荷时结构的抗冲击性能进行研究是十分必要的。本文分别从球鼻艏设备安全、抗沉性、球鼻艏对气泡运动的影响的角度进行分析，初步对钛合金球鼻艏结构的抗冲击性能进行探讨，指出薄弱环节，为球鼻艏结构的强度设计提供参考依据。
　　 首先，选取当今先进舰船首选的钛合金球鼻艏结构作为研究对象，建立其与整船、流场的耦合模型。通过船舯爆炸及船艏爆炸大量工况，计算球鼻艏底部声呐底座在水下非接触爆炸下的冲击环境，并讨论爆炸攻角对球鼻艏冲击环境的影响，为球鼻艏结构防护及优化提供参考。
　　 其次，由于声呐设备的透声需要，球鼻艏导流罩内未采用任何肘板，只采用环状肋骨支撑，这对球鼻艏结构的抗爆抗冲击防护能力提出了极高的要求。根据球鼻艏结构特点，将结构细分成钛合金导流罩、底部钢结构基座、支撑骨材和连接法兰。分别考察各部分在水下非接触爆炸冲击下的响应，对比各结构的塑性变形情况，校核结构的安全性，并指出其薄弱环节。
　　 再次，通过大量工况计算钛合金球鼻艏在水下非接触爆炸载荷下安全半径、临界半径及破坏半径，并通过插值汇总球鼻艏结构安全半径、临界半径及破坏半径包络图。总结球鼻艏结构安全性随角度的变化规律。
　　 最后，本文通过电火花气泡实验研究球鼻艏结构复杂曲面对气泡运动的影响。实验发现，由于球鼻艏结构及其靠近自由面，当气泡脉动受到球鼻艏结构影响时，同时也会受到自由面Bjerknes力的作用，使气泡被撕裂成两个小气泡，并分别形成远离自由面和指向球鼻艏结构的射流。气泡这种被自由面和结构联合作用撕裂的现象可以大幅削弱气泡射流对球鼻艏结构的损伤。