水下近場及接觸爆炸作用下雙層底結構損傷試驗研究

楊棣，姚熊亮，張瑋，祝祥剛

(1.哈爾濱工程大學船舶工程學院，哈爾濱 150001;2.海軍裝備研究院，北京 100161)

水下近場及接觸爆炸作用下雙層底結構損傷試驗研究

楊棣1，姚熊亮1，張瑋2，祝祥剛1

(1.哈爾濱工程大學船舶工程學院，哈爾濱 150001;2.海軍裝備研究院，北京 100161)

針對水面艦艇底部結構設計雙層底縮比試驗模型;據沖擊因子設定水下近場及接觸爆炸工況，通過對試驗結果分析，總結雙層底結構在近場及接觸爆炸載荷作用下的損傷模式;采用體積等效原理對試驗模型裂紋處板厚變化分析，確定Q235鋼在雙層底模型拉伸破壞模式中的斷裂應變;為艦船抗爆抗沖擊的理論及數值研究提供參考數據。

雙層底;近場爆炸;接觸爆炸;損傷模式;斷裂應變

雙層底為艦船底部典型結構，研究其在水下爆炸載荷作用下的毀傷模式對艦船水下抗爆抗沖擊性能具有重大意義。由于分析雙層底結構在沖擊載荷作用下的動力響應不僅涉及高應變率、材料幾何非線性問題，還涉及復雜的結構形式、邊界條件等，理論分析較困難。目前僅對如方板、矩形板、圓板［1－2］等簡單結構有理論解析解，而對稍復雜的加筋板只能采用能量守恒原理建立變形、破損的近似估算公式［3］。

數值研究方法因易操作、研究周期短、經費投入低等優點被廣泛用于艦船復雜結構的抗沖擊研究［4－6］。針對雙層底結構，Liu等［7］通過LS－DYNA分析獲得考慮彈塑性的雙層底模型的剩余強度。Yu等［8］通過LSDYNA分析、預測雙層底結構在沖擊載荷作用下的結構損傷形式，獲得損傷過程中不同結構耗散能量。由于數值仿真研究均在已知模型所用材料特性及模型結構破壞衡準的前提下，通過有限元軟件預測雙層底結構的破壞形式，故需試驗對所需衡準及損傷模式進行驗證。朱錫等［9］對在接觸爆炸載荷作用下加筋板損傷模式進行探討。Villavicencio等［10］通過沖擊試驗儀對雙層底結構加載，獲得雙層底結構的變形損傷過程。Wang等［11］利用沖擊試驗儀模擬擱淺及碰撞時雙層底結構的開裂現象。對雙層底結構在水下爆炸載荷作用下的損傷特性試驗仍處于空白。

鑒于以上原因，本文試驗針對艦船底部結構設計雙層底縮比模型，據近場非接觸及接觸爆炸沖擊因子定義設計三個工況，對雙層底結構在水下近場及接觸爆炸載荷作用下的力學損傷特性進行研究，為后續理論及數值仿真提供參考。

1 試驗設計

由于實船水下爆炸試驗價格昂貴、可操作性差、不適用于基礎理論研究。因此據實船雙層底結構設計雙層底縮比試驗模型。

1.1 模型設計

據典型艦船雙層底結構設計的雙層底縮比模型見圖1、圖2。雙層底板架尺寸為2160 mm×1 920 mm，雙層底高200 mm，其中外底板厚3 mm，內底板厚2 mm，內、外底間縱橫兩方向各均布6個主肋板及縱桁，將內、外底板分成6×6=36個小板格，每個小板格長寬為360 mm×320 mm，主肋板厚2 mm，縱桁厚3 mm，內、外底板在縱向均布18根加強筋，外底加強筋為扁鋼3 mm×25 mm，內底加強筋為扁鋼3 mm×30 mm。

圖1 雙層底外底布置圖Fig.1 The layout of the outer bottom of the double bottom

圖2 雙層底內底布置圖Fig.2 The layout of the inner bottom of the double bottom

圖3 雙層底試驗模型Fig.3 The test model of double bottom

試驗工況的沖擊因子達10時模型在水下爆炸載荷作用下將產生劇烈的剛體運動，與雙層底在艦船上相鄰艙段對其約束的邊界條件不符。為減小試驗模型的剛體運動:①采用壓載方式增加模型質量。即在雙層底縮比模型上方0.4 m處設置加筋板形式平臺，在平臺上方建立一水密艙室結構，放置沙袋壓載。既可實現預定壓載，又能防止直接在內底板上壓載影響沖擊響應;②在雙層底模型外底兩側設置加筋翼板，增大水對試驗模型的附加阻尼，減小雙層底模型剛體運動。雙層底試驗模型結構布置圖見圖3。

1.2 試驗工況

試驗分為三個工況，用SR68.4 TNT球狀炸藥，藥量均為2 kg，爆距分別為1.0 m，0.5 m，0.14 m，爆點位置在板架正中心，見圖4。試驗方案設計初始階段獲得試驗模型重量后，利用動量定理確定在試驗模型上方水密艙室內的壓載重量，用于模擬設備及其它設施的壓載作用，減少模型因水下爆炸載荷引起的剛體運動。試驗時放入預設質量沙袋后調試設備，設定試驗參數，利用高壓電引爆炸藥進行試驗。

圖4 試驗工況示意圖Fig.4 The schematic diagram of the tests'condition

2 試驗結果及分析

水下爆炸分近、中、遠場爆炸，以爆距及TNT當量藥包半徑之比(=R/r)作判據，≤30為近場爆炸，30≤≤110為中場爆炸≥110為遠場爆炸。

2.1 工況1結果及分析

工況1的沖擊因子為1.4，屬近場非接觸爆炸。雙層底模型產生塑性大變形，將雙層底按圖5位置繪制圖6坐標系，變形撓度見表1、表2。從中選取Y軸坐標為800 mm、960 mm、1120 mm三位置處撓度值繪制撓度曲線對比見圖7，其中橫軸所取點為主肋板及板格中心點。

由圖5看出，左右加筋翼板變形并不對稱，由于試驗模型非固定于水池，漂浮于水中，真實模擬船體底部結構在水中航行時的狀態，雙層底上部艙壁結構中放置的沙袋導致藥包引爆后雙層底結構運動具有一定隨機性，使模型的整體位移未得到有效控制，誤差不可避免。加筋翼板作為雙層底試驗模型的輔助結構為減少雙層底剛體運動、增加附加阻尼，因此加筋翼板損傷不能作為試驗觀測的主要目的。故主體結構未出現問題，產生偏差不大，次要結構由于不可控因素及制造過程中工藝問題導致產生些許偏差，可以接受。

由圖7看出，雙層底外底在水下爆炸載荷作用下整體產生大變形。對比x軸坐標分別為900 mm、1 080 mm、1 260 mm三點撓度值，1 080 mm縱桁處撓度值較900 mm，1 260 mm縱桁旁小板格中心處撓度值小，因當載荷相對較弱時縱桁將作為小板格的強邊界支撐限制面板變形。因此，在近場非接觸爆炸載荷作用下雙層底結構整體產生塑性大變形同時伴隨明顯的板格局部變形。

圖5 工況1外底變形示意圖Fig.5 The deformation diagram of the outer bottom in condition 1

圖6 坐標位置示意圖Fig.6 The sketch diagram of coordinates

圖7 外底撓度曲線對比圖Fig.7 The comparison chart of the outer bottom's deflection curve

表1 工況1外底板撓度值(單位:mm)Tab.1 The deflection of the outer bottom in condition 1(Unit:mm)

表2 工況1內底板撓度值(單位:mm)Tab.2 The deflection of the inner bottom in condition 1(Unit:mm)

由表2選y軸坐標為960 mm的縱桁處內、外底撓度變形值繪制撓度曲線對比圖見圖8。由于水下爆炸載荷首先直接作用于外底板，再通過連接內、外底板的主肋板及縱桁將載荷傳遞至內底板，故主肋板、縱桁出現塑性變形，并在其橫剖面內受壓，局部位置出現動力屈曲，見圖9。因此，在近場非接觸爆炸載荷作用下雙層底結構中主肋板、縱桁會出現塑性變形及動力屈曲兩種相互耦合的損傷模式。

圖8 內、外底撓度曲線對比圖Fig.8 The comparison chart of the out bottom's and the inner bottom's deflection curves

圖9 高腹板動力屈曲Fig.9 The dynamic buckling of the high web

由圖10、圖11看出，內底板局部位置在邊界附近出現皺折現象。由于縱桁、主肋板、雙層底邊界作為小板格支撐邊界的同時此處板格彎曲受壓形成動力屈曲。

圖10 內底板屈曲Fig.10 The dynamic buckling of the inner bottom

圖11 邊界處內底板屈曲Fig.11 The dynamic buckling of the inner bottom at the border

綜合上述現象，在近場非爆炸載荷作用下，雙層底會出現三種損傷模式，即整體塑性大變形同時局部板格出現塑性小變形;主肋板、縱桁塑性變形同時伴隨動力屈曲;邊界附近內底板動力屈曲。

2.2 工況2結果及分析

工況2沖擊因子為2.8，屬近場接觸爆炸。雙層底模型整體產生塑性大變形，且在外底沿主肋板方向出現裂紋，見圖12。主肋板及縱桁出現動力屈曲，見圖13。

圖12 工況2外底裂紋示意圖Fig.12 The crack diagram of the outer bottom in condition 2

圖13 縱桁動力屈曲Fig.13 Dynamic buckling of girders

對比工況1、2損傷模式表明，當水下爆炸載荷足夠大時結構會發生斷裂，且多集中于板格邊緣，因板格邊緣受到約束，易產生應力集中。測量裂紋邊緣板厚知其它部位減薄現象明顯，屬典型的拉伸型斷裂。且外底發生斷裂部位均沿主肋板方向，在垂直裂紋方向有一較大拉伸變形，而在沿裂紋方向拉伸變形較小。因此，可據體積不變原理，采用單向極限應變假設分析雙層底結構斷裂應變［12］，即

式中:t，t1為變形前后板殼厚度［12］。

由式(1)知，雙層底結構斷裂應變需由殼板變形前后厚度獲得，因此，試驗測量過程中將裂紋按各自長度分別等分測量獲得各測點處板厚，見表3。

將表3中裂紋厚度按式(1)進行處理，獲得各裂紋處斷裂應變見表4。由于試驗加工時會造成模型有初始損傷，且沖擊載荷非均布會導致裂紋處各點受力不同及因裂紋處局部殼板出現褶皺對測厚結果影響，故將表4中所有斷裂應變值求和取平均消除一定誤差。由此得Q235鋼的雙層底結構斷裂應變為0.40。

表3 工況2雙層底的各裂紋處板厚(單位:mm)Tab.3 The thickness along the crack of double bottom in condition 2(unit:mm)

表4 工況2雙層底外底各裂紋處斷裂應變Tab.4 The fracture strain of double bottom along the crack in condition2

綜上所述，在近場接觸爆炸作用下，雙層底結構整體將在產生塑性大變形的同時，局部板格邊緣出現拉伸斷裂破壞。由于以往的試驗均針對光板及加筋板結構，而本次試驗則是艦船底部結構，不僅具有加筋板結構特點，且具有主肋板及縱桁連接內、外底的結構形式，工況2下雙層底結構損傷模式即外底在沿主肋板方向出現裂紋而未在沿加強筋方向出現裂紋，因此變更了對水面艦船底部結構破壞形式的認知。裂紋沿板格邊緣充分發展、使整個板格脫落、形成破口，因此開裂判據為水面艦船底部結構在水下爆炸載荷作用下形成破口提供了斷裂衡準，也為數值仿真提供了參考資料。

2.3 工況3結果及分析

工況3的沖擊因子為10時屬接觸爆炸。雙層底模型整體出現塑性大變形，外底、內底均產生破口，內底板在破口周圍出現花瓣開裂現象，見圖14、圖15。

圖14 工況3破口外部示意圖Fig.14 Thediagram of the outer crevasse in condition 3

圖15 工況3破口內部示意圖Fig.15 Thediagram of the inner crevasse in condition 3

雙層底外底處破口邊緣位置均沿主肋板及縱桁，而破口斷面處整齊無明顯減薄現象。由此推斷，由于主肋板及縱桁對內、外底板的強支撐，沖擊載荷作用下此處易產生應力集中，導致連接處反為薄弱環節，最先達到臨界剪切應變而斷裂。即雙層底模型在接觸爆炸載荷作用下產生沖塞效應，破口在結構相對薄弱處主要因發生剪切失效形成。

觀察雙層底內底處破口邊緣看出，在板架正中4個板格處形成的破口邊緣與雙層底外底破口邊緣斷面相同;雙層底內底先出現以主肋板及縱桁作為邊界的剪切破壞形成破口后內底沿板格邊界發生開裂現象，即裂紋從破口邊緣向內底四周擴展，造成周邊板格拉伸破壞。由圖15內底未開孔處看出，開孔處裂紋數與未開孔處裂紋數相似，由此可知，內底開孔導致結構強度減弱并非產生開裂的主要原因。反而因沖擊載荷作用下雙層底由于剪切破壞產生破口后，大部分能量隨破口消散，剩余能量沿內、外底的連接構件傳遞給內底，使其沿結構薄弱處繼續變形開裂，即拉伸破壞。

綜合工況2、3現象知，接觸爆炸載荷作用、不同沖擊因子情況下，雙層底模型均產生塑性大變形，但沖擊因子為2.8時雙層底外底板格邊緣產生裂紋，而沖擊因子為10時則內、外底均因剪切破壞形成破口，同時內底開裂，即形成拉伸破壞，此由雙層底結構區別于加筋板結構的特殊性導致。

3 結論

本文針對水面艦艇底部結構設計雙層底縮比模型，實施水下近場及接觸爆炸損傷試驗。通過對比分析試驗結果，總結雙層底結構在近場及接觸爆炸載荷作用下的損傷模式，確定Q235鋼在雙層底模型拉伸破壞模式中斷裂應變的同時為后續理論計算及數值仿真提供參考依據，結論如下:

(1)水下近場及接觸爆炸下雙層底結構典型損傷模式包括塑性變形、動力屈曲及剪切或拉伸破壞形成破口。實際工況通常為幾種模式的耦合，而某種模式占主要地位。近場爆炸載荷作用下雙層底以整體塑性大變形為主;接觸爆炸載荷下雙層底損傷模式以整體形成塑性大變形及破口為主。載荷處于兩者之間時，雙層底結構產生塑性大變形、板格邊緣產生裂紋。以上三種情況均會伴隨肋板、縱桁等構件的動力屈曲損傷。

(2)由于板格邊緣受到約束，易產生應力集中，因此在水下爆炸載荷下裂紋通常產生在板格邊緣。裂紋沿板格邊緣充分發展時使整個板格脫落，形成破口。板架結構破口多以板格邊緣為邊界。

(3)沖擊載荷作用于結構、載荷達到一定大小后，結構將產生拉伸或剪切破壞;剪應變超過結構的抗剪能力、正應變未超過其抗拉強度時為剪切破壞，斷面光滑，斷面法向與所受剪力方向垂直。反之則為拉伸破壞，此時斷面粗糙，斷面方向無規律。兩種破壞形式在實際結構破壞中相互依存，密不可分，其中之一占主要位置而已。

(4)通過對試驗測量結果分析，獲得由Q235鋼加工的雙層底結構產生拉伸變形失效時斷裂應變為0.40，此斷裂衡準可作為艦船底部結構破壞數值仿真中材料參數的設定依據。

(5)主肋板、縱桁面內受壓時會出現動力屈曲。由于縱桁、主肋板、雙層底邊界作為小板格的支撐邊界，內底板橫剖面受中面力出現皺折，使雙層底位置結構失穩，喪失部分承載能力。

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Experimental on double bottom's structural damage under underwater near-field and contact explosions

YANG Di1，YAO Xiong－liang1，ZHANG Wei2，ZHU Xiang－gang1
(1.Harbin Engineering University，College of Shipbuilding Engineering，Harbin 150001，China; 2.Naval Academy of Armament，Beijing 100161，China)

A double bottom＇s experiment model was designed based on the surface ship＇s bottom structure，under the simulated working conditions of underwater near－field and contact explosion according to corresponding impact factors. Then the damage modes of the double bottom structure were summarized through the analysis of experiments＇results.The fracture tensile strain of the double bottom model made of steel Q235 was obtained by virtue of the principle of equivalent volume and by analyzing the change of crackle thickness in experimental model.The results provide the reference data for ship＇s anti－shock and anti－explosion＇s theoretical and numerical research.

double bottom;underwater near－field explosion;contact explosion;fracture strain

U611.41

A

10.13465/j.cnki.jvs.2015.02.028

國家自然科學基金項目資助(51279038);國家安全重大基礎研究項目(613157)

2014－04－04修改稿收到日期:2014－08－29

楊棣女，博士生，1989年2月生

姚熊亮男，博士，教授，博士生導師，1963年3月生