爆炸冲击载荷下耐压鞍形舱壁结构弹塑性动力屈曲

　　舱壁结构是潜艇重要组成部分,其中球面舱壁结构简单、重量轻、适应总体布置要求,是潜艇常用的耐压结构形式之一[1~3]。结构在动力载荷作用下产生的响应形式取决于结构的几何尺寸、材料参数、初始缺陷、载荷峰值以及载荷持续时间等诸多因素[4]。为了有效地判断结构在动力载荷下的动力屈曲现象,必须首先解决的问题是动力屈曲的判别准则。徐加初[5]通过研究复合材料层合扁球壳在爆炸冲击载荷作用下的非线性轴对称动力屈曲问题,验证了利用B-R屈曲准则判断扁球壳的动力屈曲的可行性。唐柱才[6]应用有限元程序LS-DYNA,采用B-R屈曲准则对冲击载荷下梁和圆柱壳结构的动态屈曲问题进行了研究。Ross[7]提出了一种基于有限元法的理论分析方法,用于求解在外部水压作用下薄壁扁平半椭球状端盖和扁长半椭球状端盖的动力屈曲问题。Humphreys[8]在大型激波管上进行了浅球壳的冲击屈曲实验,采用B-R屈曲准则判断浅球壳的动力屈曲,研究表明该准则基本上能够反映结构的冲击屈曲现象。本文所研究的鞍形舱壁结构具有明确的动力屈曲特征,属于极值型屈曲的响应类问题,采用B-R屈曲准则可以很好地判断该结构的动力屈曲。本文采用AN-SYS/LS-DYNA,充分考虑了几何非线性、材料塑性及变率的影响,利用B-R屈曲准则对鞍形舱壁结构弹塑性动力屈曲进行了研究,分析了主要设计参数对动力屈曲的影响。

　　1　鞍形舱壁结构形式及计算模型

　　本文研究的鞍形舱壁结构形式如图1所示,它由圆环壳、反凹球壳和连接二者的加强环组成。结构设计参数有:加强环半径RH;加强环的截面尺寸a, b;圆球壳的半径R1,厚度(计算厚度)t1;环壳母线的曲率半径R2,圆环壳厚度(计算厚度)t2;加强环中心距底端高度H;环壳端部直径Ф1;与之对比的三心球面舱壁结构形式如图2所示。结构设计参数有:圆球壳半径R1,厚度(计算厚度)t1;环壳母线的曲率半径R2,圆环壳厚度(计算厚度)t2;圆球壳与圆环壳结合处的半径RH;圆球壳与圆环壳结合处距底端的高度H;圆环壳端部直径Ф1。本文对两种舱壁结构采用有限元软件LS-DYNA进行动响应分析时,均在圆环壳端部连接一定长度的带环肋的斜锥,且将其端部刚固。舱壁结构与斜锥部分采用相同的材料,所不同的是鞍形舱壁结构考虑材料弹塑性和应变率的影响,而与之相连的斜锥及其上的环肋由于刚度较大,结构变形小,只考虑材料的弹性。具体材料参数为:弹性模量1. 96×105MPa,切线模量1. 96×103MPa,泊松比0. 3,密度7 850 kg/m3,屈服极限590MPa。舱壁结构采用随动强化弹塑性材料模型,选取Cowper-Symonds模型考虑材料应变率的影响,假定爆炸冲击载荷均匀作用在舱壁结构及斜锥的外表面,采用TNT炸药,在距离舱壁结构30m处引爆炸药,用式(1)所示的Cole公式计算爆炸载荷[9]。