空爆載荷下艙壁新型加筋結構形式研究

張 健，姚 潞，尹 群，王 珂

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江212003)

0 引 言

在海戰中，艦船是最容易受到攻擊的對象，反艦導彈進入艙室產生劇烈的爆炸，對艦船的生命力會造成致命打擊。艙壁結構是船體的重要組成部分，且對部分艙室如炸藥艙室、燃油艙室等，起到了隔離保護的作用，因此對艙壁結構的抗爆性能研究，顯得尤為重要。

近年來，為了加強艙壁結構的抗爆抗沖擊性能，國內外學者對艙壁結構進行研究。張世聯［1］、朱錫［2-3］等對雙層艙壁在空爆載荷下的動態響應做了詳細的理論、實驗研究分析。國外學者對艙壁結構也有深入研究，但能公開查找的文獻比較少。

本文針對單層艙壁結構，設計幾種新型的艙壁結構形式，研究其在空爆載荷下的抗爆抗沖擊性能。再對這些結構的抗爆性能進行分析對比，得到一種抗爆性能較好的結構形式。從而實現對艙壁結構抗沖擊性能的改善，為艙壁結構的優化設計提供參考。

1 艙壁結構抗爆性能的評判標準

衡量艦船結構形式是否優良的標準和考量艦船抗沖擊能力是否合格的指標有所不同，除了關心平臺上某些重要部位的速度、加速度峰值外，抗爆結構形式還關心其吸收外來能量的能力和變形量。參考一些文獻資料［4-5］，評判一種結構的抗爆性能可以主要從以下幾個方面進行:

1)爆炸載荷下結構的變形情況

爆炸載荷能引起結構的局部大變形，變形可能損壞安裝在結構上的機器設備，如果這種變形達到一定程度甚至超過材料的最大失效應變就有可能發生破口。因此較優的艦船艙壁抗爆結構形式應使艙壁結構產生較小變形，以保護被艙壁隔斷的彈藥艙和燃油艙。

2)爆炸載荷下結構的吸能情況

抗爆結構是在空中爆炸載荷作用下，結構通過發生一定的塑性變形來吸收爆炸產生的能量，也即在艦船艙壁遇到爆炸沖擊波傳來的能量時，能夠通過犧牲一些非主要構件來吸收能量。對于吸能較多的結構，它可以通過提高結構剛度和擴大結構損傷變形來實現對沖擊波能量的吸收，起到保護艦船內部結構和重要設備的作用。

3)爆炸載荷下結構某些重要部位特征點的加速度響應情況

結構是設備的載體，設備上承受的加速度峰值受結構加速度大小的直接影響，加速度峰值過大會使設備產生過載振動而失靈或損壞，較優的艙壁抗爆結構形式應該能夠減少加速度峰值，所以加速度響應也是考察判斷一種新型結構形式好壞的標準之一。這一點對艦船上面安裝的精密武器來說尤為重要。

除上述3 點外，新型抗爆艙壁結構還應具有成本合理、安全可靠、重量適當、工藝不過于復雜及易于加工制造等特點。

2 新型單層艙壁結構抗爆抗沖擊有限元分析

目前艙壁結構最為普遍的是板筋艙壁結構，對雙層艙壁結構雖有研究，但運用的比較少，且其制造加工過程過于復雜。基于此，本文針對單層艙壁結構，設計幾種新型的單層艙壁形式。對這幾種新型單層艙壁結構形式在空爆載荷下的動態響應進行分析比較，并與傳統的板筋結構艙壁進行對比，得到一種較優的單層艙壁結構形式。

2.1 新型單層艙壁結構模型設計

在傳統的船體結構優化設計中，僅靠增加結構重量來改善船體的防護性能。但結構重量是影響船舶性能以及建造成本的重要因素，只靠增加結構重量來改善抗爆抗沖擊性能有限，只有展開抗爆結構的設計才是根本之道。本文基于傳統板筋單層艙壁結構如圖1所示。在保持艙壁整體結構重量基本不變的前提下，通過改變艙壁板上的加筋結構形式，設計了三角管型、半圓管型、方管型加筋的艙壁結構。

圖2 為三角管型艙壁結構形式及其橫截面形狀。三角管呈豎向排列在艙壁上面，每隔500 mm 設置1個三角管，總共設計了10 根管子。三角管的橫截面是1個等腰三角形，其底和高都是250 mm。

圖3 為半圓管型艙壁結構形式及其橫截面形狀。半圓管呈豎向排列在艙壁上面，每隔500 mm 設置1個半圓管，總共設計了10 根管子。半圓管的橫截面是1個半圓形狀，其直徑是250 mm。

圖4 為方管型艙壁結構形式及其橫截面形狀。方管呈豎向排列在艙壁上面，每隔500 mm 設置1個方管，總共安排了10 根管子。方管的橫截面是1個長方形，邊長分別為250 mm和160 mm。

圖1 板筋艙壁艙室結構Fig.1 Stiffened-plate bulkhead structure

圖2 三角管型的艙壁結構Fig.2 Triangular tube bulkhead structure

圖3 半圓管型的艙壁結構Fig.3 Semicircle tube bulkhead structure

圖4 方管型的艙壁結構Fig.4 Square tube bulkhead structure

表1 對傳統板筋艙壁結構與3 種新型艙壁結構的重量進行比較，以確保下文對其抗爆抗沖擊的比較分析在結構重量一致的基礎上進行。從表1 中可看出，3 種新型艙壁結構的重量較傳統板筋結構的重量差距都在5%之內，可在此基礎上進行有限元計算分析。

表1 艙壁結構的重量Tab.1 The weight of the bulkhead structure

整個艙室模型為船體三艙室模型，高7.5 m，寬8 m，長9 m (見圖1)。艙室分為上中下3個艙室，中間1個艙室為爆炸艙室，其艙壁為本文重點研究結構。艙壁材料選用945 鋼，艙壁厚度為6 mm，采用彈塑性 (DMAT/DMATEP)本構模型，材料的屈服模式選用馮·米塞斯屈服模型。該模式工程中常用并且符合實驗分析，同時應變率效應參考軟件程序的缺省值，不考慮材料的溫度效應。炸藥統一選取50 kg，放在爆炸艙室中心處。

2.2 計算結果及分析

利用有限元軟件MSC.Dytran 對上述3 種不同艙壁結構形式進行數值仿真計算。對爆炸后的艙壁結構，對比分析3 種新型艙壁結構與原來板筋艙壁結構的仿真數值結果。分別對艙壁結構的吸能特性、結構變形、應力分布和沖擊環境進行分析比較。

2.2.1 艙壁結構吸能比較分析

圖5 為傳統板筋艙壁與新型艙壁結構能量吸收時間歷程曲線。它反映了艙壁結構在爆炸沖擊波作用下的塑性變形能吸收情況。整體艙壁結構分為2個部分:一部分是艙壁板結構，還有一部分是艙壁面上的型材，即板筋、三角管、半圓管、方管。從圖5 可看到，艙壁結構上艙壁板的吸能都較高于艙壁型材的吸能。而新型艙壁結構中，兩者的吸能值較傳統板筋結構的更為接近。對于方管型艙壁，兩者的吸能近乎一樣，方管結構的本身吸能特性更佳。

圖5 艙壁結構吸能時間歷程曲線Fig.5 Energy-time curves of bulkhead

為了更直觀地了解傳統板筋艙壁結構與新型艙壁結構的吸能，以及艙壁面與型材的吸能情況，下面將上述幾種不同艙壁結構的最終吸能統計于表2中，進一步對比分析它們的吸能特性。

表2 艙壁結構的最終吸能值Tab.2 The final energy value of bulkhead

表2 分別列出了艙壁板、艙壁上型材以及艙壁整體結構的最終吸能值，及新型艙壁結構相對于傳統艙壁結構的吸能百分比。觀察艙壁板的吸能值可發現，新型艙壁結構的艙壁板的吸能值較傳統結構的艙壁板都超出10%左右，半圓管型的艙壁板甚至大出了20%。因為4 種艙壁結構形式的艙壁板尺寸跟厚度都一樣，這就充分說明艙壁板上型材結構的變化對艙壁板的吸能也有較大的影響。再看艙壁上型材的吸能，顯然新型艙壁結構上的型材吸能超出傳統板筋結構的吸能很多，基本超出近50%，方管型艙壁上的型材吸能甚至超出了將近70%。最后分析整體吸能情況，新型艙壁整體結構的吸能都超出傳統板筋艙壁20% 多。通過這一系列數據對比分析可以看出，新型艙壁結構的設計不僅增加了原有的艙壁板的吸能，更使得艙壁整體結構的吸能大有提高。尤其是方管型艙壁結構，吸能效果更加顯著，其方管的吸能整整比三角管、半圓管結構超出20%。這也進一步證明方管型艙壁結構抗爆抗沖擊效果相對于另2種新型結構形式更優。

2.2.2 艙壁結構變形比較分析

圖6 分別給出了傳統的板筋艙壁結構與3 種新型艙壁結構的變形云圖。從圖中可看出，3 種新型艙壁結構的變形云圖分布都相似。其最大變形都發生在艙壁的兩端，如圖中的兩端紅點所示，分別是三角管0.242 m、半圓管0.252 m、方管0.238 m，且在艙壁的上下兩端變形也幾乎一樣。越靠近艙壁中間部分，其變形逐漸減小。但觀察板筋艙壁結構可知，其變形最大值出現在艙壁中心部分，并且有向兩端變形逐漸變小的趨勢。通過分析4 種艙壁結構的變形情況可以看出，新型艙壁結構較原先的板筋艙壁結構變形大有不同，說明艙壁面上結構的變化，對爆炸后艙壁結構的變形有較大的影響。

圖6 板筋艙壁結構與新型艙壁結構的變形云圖Fig.6 Deformation diagram of bulkhead structure

為了進一步分析各種艙壁結構形式在爆炸載荷作用下的變形量，下面將相同炸藥量下不同艙壁結構形式的最大變形列入表3。

表3 艙壁結構的最大變形量Tab.3 The maximum deformation of bulkhead structure

從表3 艙壁結構最大變形量的統計數據可以看出，新型艙壁結構形式的變形量較傳統的板筋艙壁結構都有所下降，且下降幅度基本在20%左右。這就說明改變艙壁面上的型材后，使得結構的抗爆抗沖擊能力有了顯著提高。再觀察3個新型的艙壁結構模型，發現三者的最大變形值幾乎一樣。方管型艙壁的最大變形值相對最小，其艙壁結構的最大變形減小至傳統板筋型艙壁的77.52%。由此可以初步判斷方管型艙壁結構的抗爆抗沖擊性能在3個新型艙壁中最好。

2.2.3 艙壁結構應力比較分析

圖7 是傳統板筋艙壁與新型艙壁結構在爆炸沖擊波作用下的最終應力云圖。從圖中可看出，板筋艙壁結構上所受的應力值普遍都比3 種新型艙壁結構大，且在艙壁面上分布更廣。新型艙壁結構所受的應力基本都集中在艙壁角隅［6-7］處，且最大應力也在角隅處產生。新型艙壁上大部分的應力值都處于較低水平，由此也可以看出，新型艙壁結構相對于傳統板筋艙壁結構的抗爆抗沖擊性能更加優良。觀察各個艙壁結構的最終應力云圖，可讀出其爆炸載荷局部最大應力值:板筋艙壁626 MPa，三角管艙壁631 MPa，半圓管艙壁651 MPa，方管艙壁567 MPa。可以看出其最大應力值差距不大，但方管型艙壁結構的最大應力值更小，說明其結構抗爆性能更優。

圖7 艙壁結構應力分布Fig.7 Stress distribution of bulkhead structure

2.2.4 艙壁結構加速度比較分析

圖8 是艙壁上中心點(即node512)在各種艙壁形式下的加速度時間歷程曲線。從圖中可看出，加速度曲線都在剛開始時加速度值為0，隨著沖擊波傳播到艙壁，加速度值迅速上升到最大值，隨后經過幾次較大幅度的震蕩，逐漸減小。

圖8 艙壁中心點加速度時間歷程曲線Fig.8 Acceleration-time curves of the center point

表4 分別列出了傳統板筋艙壁結構與新型艙壁結構的最大加速度值。可以看出，單從加速度這方面分析，似乎看不出哪個艙壁結構的抗爆抗沖擊效果好。4 種艙壁結構的加速度值幾乎沒有差距。

表4 艙壁中心點最大加速度Tab.4 The maximum acceleration of the center point

3 結 語

本文重點對艙壁結構的抗爆抗沖擊性能進行研究分析。在保證艙壁結構整體重量基本不變的前提下，從傳統板筋艙壁角度出發，設計出3 種新型艙壁結構，即三角管型艙壁結構、半圓管型艙壁結構及方管型艙壁結構。通過對不同艙壁結構的動態響應分析比較，得到以下結論:

1)從吸能角度看，艙壁整體結構的吸能分為艙壁板與板上型材的吸能，艙壁板的吸能略大于型材的吸能。3 種新型艙壁結構的吸能普遍大于傳統板筋艙壁結構的吸能。新型加筋結構的吸能超出板筋結構50% 左右，整體結構的吸能也超出30%左右。

2)對3 種新型艙壁結構形式而言，雖然它們的加速度響應差不多，看不出抗爆效果的好壞。但在結構重量相等的前提下可以看出，方管型艙壁結構的吸能大，變形小，應力最大值也偏小，且艙壁板所受應力均勻，應力值也偏小。由此可知，方管型艙壁結構在3 種新型艙壁結構中的抗爆抗沖擊性能相對較優。

3)通過上述3 種艙壁的加筋形式的比較分析，不管是三角形、半圓還是方形，其底邊長度均相同，所不同的是頂邊由一個點變成圓弧，再變成直線，其頂部面積越來越大。由此規律可以預見，當頂部面積無限放大時，單層艙壁結構就變成了雙層艙壁結構，其抗爆性能更佳，將在下一步的研究中進行驗證。

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