水下爆炸載荷作用下水面目標局部毀傷計算研究?

高 鑫（91439部隊大連116041）

水下爆炸載荷作用下水面目標局部毀傷計算研究?

高 鑫
（91439部隊大連116041）

采用理論分析以及數值計算的方法對水下爆炸作用下水面目標的局部毀傷效應進行研究。首先對水面目標局部毀傷種類進行說明，然后建立了撓曲變形理論計算模型；選取典型目標，采用計算模型對其毀傷效應進行計算，計算結果同模型試驗測試進行了比對分析。比對結果表明模型計算結果與試驗測試結果在局部毀傷效應方面結果一致，驗證了模型的正確性以及計算方法的可行性。

水下爆炸；水面目標；毀傷；破口；試驗

Class Num ber U664.2

1 前言

水中目標受到魚雷、深水炸彈攻擊后可能產生各種各樣的損傷形式，目標結構產生何種毀傷形式與兵器毀傷載荷形式密切相關，不同的載荷形式對應不同的毀傷形式。水面毀傷目標局部毀傷形式又可分為：近場或接觸爆炸作用下水面毀傷目標結構局部破口毀傷；非接觸爆炸作用下水面毀傷目標結構局部塑性變形毀傷。水下爆炸在目標附近或接觸目標發生時，水面毀傷目標結構將產生局部區域的破口，從而造成目標結構的局部破口毀傷，其后果主要是造成目標進水和浮力損失以及目標結構剩余強度的損失。在水下非接觸爆炸沖擊波作用下，水面毀傷目標局部結構大多產生塑性動力響應，從而造成水面毀傷目標結構的局部塑性變形或塑性動力失穩毀傷。局部結構塑性變形毀傷的后果主要有：引起內部安裝的設備的破壞，以及水面毀傷目標結構剩余強度損失。文獻［1~9］等對水下爆炸載荷作用下目標毀傷效應進行了研究。本文采用理論分析以及數值計算的方法對水下爆炸作用下水面目標的局部毀傷效應進行研究，重點對非接觸爆炸作用下水面目標結構塑性變形進行分析，并與模型試驗結果進行比對，驗證計算模型的正確性。

2 水面毀傷目標結構抗毀傷能力理論計算

水面毀傷目標結構破壞主要表現為結構（板、板架）的撓曲變形或者嚴重破口，此種情況毀傷會削弱目標的結構強度。

建立結構撓曲變形理論計算模型：假設加筋板結構為四周固支，在爆炸載荷作用下加筋板結構發生大撓度變形，考慮結構邊界產生塑性鉸線，最終變形的撓曲面近似為正弦曲面［10］。其撓曲面函數可取為

坐標系xoy位于結構的初始平面，原點設在結構左下角，如圖1所示，板架長為L，板架寬為B，沿x、y方向加強筋的數量分別為n、m。這種變形模式主要求解加筋板中心撓度W0，求解方法可以根據能量守恒建立所需方程，即：爆炸載荷對結構作用的能量等于加筋板結構的塑性變形能，即U=K。結構塑性變形能U主要由三部分組成：邊界塑性鉸彎曲變形能U1，板架區域內的彎曲變形能U2，板架區域伸長變形能U3。

1）板架邊界塑性鉸彎曲變形能U1

邊界塑性鉸彎曲變形能取決于邊界塑性鉸的相對轉角θ和骨架梁的極限彎矩Mb0。

其中：γx、γy分別為x方向和y方向邊界的固定程度系數，邊界為剛性固定時取為1；邊界完全自由支持時，板架在邊界處不產生塑性鉸，因而取為0；M0i、M0j分別為沿x、y方向第i、j根骨架梁的塑性極限彎矩。

2）板架彎曲變形能U2

其中：N0i為x方向第i根骨架梁的極限中面力；N0j為y方向第j根骨架梁的極限中面力。

4）極限彎矩和極限中面力計算

根據梁的塑性彎曲理論，當梁完全進入塑性狀態后，中性軸應使梁的上下兩部分的面積相等，由此可確定中性軸的位置。

其中：l1、l2分別為中性軸上下兩部分面積中心離中性軸的距離；A為梁的橫截面面積；σd為材料屈服應力。

5）結構初始動能計算

由于沖擊波峰值比較高，相對于結構的響應時間，沖擊波持續時間非常短，近似可以認為炸藥的沖擊波能全部被結構吸收。假設沖擊波為平面波，根據沖擊波的能流密度表達式，可得到結構吸收的沖擊波能，即沖擊波作用后結構的初始動能：

其中：ks為結構吸收沖擊波能量的系數。

將沖擊波的能流密度表達式代入可以得結構吸收的沖擊波能：

其中：KE，αE為相似率系數。

6）能量原理

根據能量原理得U1+U2+U3=Ek。將以上表達式和參數代入可以得到關于加筋板結構中心撓度的方程式，進行求解可以得到中心撓度w0，進而可以得到整個加筋板結構的變形場。

3 撓曲變形計算實例

以某板架結構試驗模型為例，通過對其撓曲變形進行計算，闡明目標局部塑性變形抗毀傷能力的計算過程。計算中為了不失一般性，所采用的水下爆炸載荷是試驗實際載荷，而不是結構抗毀傷設計載荷。

3.1 計算模型描述

如圖2所示，板架總體尺寸為1000×1000×1.5（單位：mm），每個方向均布5根加強筋，加強筋采用T型材，面板尺寸為3×60（單位：mm），腹板尺寸為1.5×100（單位：mm），模型材料均采用Q235鋼。

3.2 計算所需的輸入參數

表1列出了水面艦艇局部變形抗毀傷能力評估方法的相關輸入計算參數。

表1 計算輸入參數

4 計算結果分析

應用模型試驗的結果，將理論計算結果同模型試驗結果進行比對分析，對毀傷等級進行判斷，同時對理論算法的精確度進行分析。

4.1 模型試驗

炸藥在模型底部非接觸爆炸，炸藥TNT當量為110g，距試驗模型中心距離為0.7m，模型爆炸后變形情況如圖3。

爆炸載荷作用后試驗測試得到板架中心撓度為10.95mm，為理論計算結果分析提供參考數值。

4.2 計算結果分析

應用艦艇局部變形抗毀傷能力評估方法預報該板架在藥量為110g、爆距0.7m的爆炸載荷作用下的板架中心的殘余撓度為11.8mm，爆炸試驗測試得到板架中心撓度為10.95mm，計算誤差為7.7%，在合理范圍內。

由比對結果可知，理論計算值偏大，試驗測量值偏小，這是由于試驗采用小藥量、遠距離進行的原因。當小當量遠距離爆炸時，炸藥在水中傳播存在一定的耗散，同時板架與水介質的相互作用也可能帶來一定的能量損失，導致作用在板架上的能量有一定損失，導致實際測量結果比理論計算結果偏小?？蓪碚撝颠M行一定的修正，預報出試驗測量值的大致范圍。

4.3 毀傷等級判定

非接觸爆炸載荷作用下板架的塑性變形通常采用相對撓曲變形抗力Wˉ來表示，從計算過程可知，藥量為110g、爆距0.7m的爆炸載荷作用下的板架中心的殘余撓度為11.8mm，相對撓曲變形抗力為2.12，其等級為中等毀傷。該爆炸條件下殼板沖擊因子為0.47，其毀傷等級也為中等毀傷等級。爆炸測量得到的相對撓曲變形抗力為2.28，也屬中等毀傷范疇。

5 結語

1）根據水面結構局部毀傷類型，采用理論分析方法建立了水面目標撓曲變形理論計算模型。

2）選取典型水面目標結構，采用計算模型，對其在水下爆炸作用下的撓曲變形進行數值計算。

3）將數值計算結果同相關的試驗結果進行比對，兩者符合較好。

4）板架結構均勻分布，取消了縱、橫骨架結構的影響，對計算應用帶來一定局限性。

5）理論計算模型與試驗測量結果存在一定誤差，需對理論預報結果進行修正。

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Ship Local Structure Dam age Simu lation Subjected Underw ater Explosion

GAO Xin
（No.91439 Troopsof PLA，Dalian 116041）

Ship local structure damage effect subjected underwater explosion has been studied by using theory analysis and numerical simulationmethod.Firstly，form of local structure damage hasbeen introduced；secondly，the numericalmodel of defor?mation and crevasse has been established.The structure damage effect of classical ship hasbeen gained according thosemodels and the resultshavebeen comparedwith experimentdata.These show that those twomethodshavebeen achieved the same results in pro?tecting ship local structure damage effect.Those resultshave validated correctnessof theorymodeland feasibility ofnumerical simu?lation.

underwaterexplosion，underwater target，damage，crevasse，experiment

U664.2

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.025

2016年11月8日，

2016年12月28日

高鑫，男，碩士研究生，助理工程師，研究方向：水下爆炸。