艙室內(nèi)爆下艦船結(jié)構(gòu)損傷的一種計(jì)算方法

摘要： 為了評(píng)估艙室內(nèi)爆多載荷耦合作用下艦船結(jié)構(gòu)的損傷范圍，設(shè)計(jì)了大尺度艙段模型，并開展了艙室內(nèi)爆毀傷試驗(yàn)，試驗(yàn)后測(cè)量了艙室結(jié)構(gòu)的破壞范圍及破壞模式，分析了艙室內(nèi)爆多載荷耦合作用下艦船結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)理，據(jù)此建立了艙室內(nèi)爆下艦船結(jié)構(gòu)損傷的計(jì)算方法。結(jié)果表明：（1） 艙室內(nèi)爆下形成的強(qiáng)沖擊波載荷和準(zhǔn)靜態(tài)壓力載荷可對(duì)艦船結(jié)構(gòu)造成大范圍的損傷，形成多種破壞模式； （2） 艙室內(nèi)爆下準(zhǔn)靜態(tài)壓力載荷是艙室結(jié)構(gòu)損傷破壞的主要?dú)?（3） 建立的艙室內(nèi)爆載荷下結(jié)構(gòu)損傷變形計(jì)算方法可同時(shí)考慮強(qiáng)沖擊載荷和準(zhǔn)靜態(tài)壓力載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷破壞，理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

關(guān)鍵詞： 艙室內(nèi)爆；結(jié)構(gòu)損傷；沖擊波載荷；準(zhǔn)靜態(tài)壓力載荷

中圖分類號(hào)： O383 國標(biāo)學(xué)科代碼： 13035 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

半穿甲反艦導(dǎo)彈是當(dāng)前攻擊水面艦船的主要武器，其對(duì)艦船的毀傷破壞主要依托強(qiáng)侵徹性能進(jìn)入艦船內(nèi)部發(fā)生艙室內(nèi)爆，與敞開環(huán)境相比，艙室內(nèi)爆下艦船結(jié)構(gòu)同時(shí)承受著爆炸沖擊波、準(zhǔn)靜態(tài)壓力、高速破片群等載荷的耦合作用，會(huì)形成更嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損傷。艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)如何評(píng)估艙室內(nèi)爆下的結(jié)構(gòu)損傷范圍并針對(duì)性地開展結(jié)構(gòu)防護(hù)設(shè)計(jì)，是當(dāng)前艦船設(shè)計(jì)人員較關(guān)心的問題。

現(xiàn)階段，針對(duì)艙室內(nèi)爆下艦船結(jié)構(gòu)的毀傷問題已開展了較多的研究，并取得了較豐碩的成果。加筋板是艦船結(jié)構(gòu)最基本的結(jié)構(gòu)單元，早期研究主要集中在對(duì)規(guī)則板架結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下的動(dòng)響應(yīng)研究。Nurick 等[1-2] 對(duì)爆炸載荷下方板的變形和失效進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，詳細(xì)闡述了3 種失效模式，同時(shí)指出邊界條件、沖擊波的反射效應(yīng)等因素對(duì)板架結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)有很大的影響，并基于塑性動(dòng)力學(xué)原理得出了板架在爆炸作用下的變形預(yù)報(bào)公式。Jacob 等[3] 開展了空中局部爆炸作用下矩形板的實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比了不同厚度、長寬比和炸藥形狀等對(duì)鋼板最終變形的影響，并得到了修正的無量綱數(shù)。Wierzbicki[4] 對(duì)接觸爆炸下固支圓板的花瓣開裂過程進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究，考慮了應(yīng)變率效應(yīng)，基于能量原理得到了破口半徑的計(jì)算方法。對(duì)于艦艇內(nèi)部爆炸而言，作用于艙室結(jié)構(gòu)的載荷較復(fù)雜，不僅包括沖擊波載荷，還包括準(zhǔn)靜態(tài)壓力載荷和高速破片群載荷。侯海量等[5] 采用數(shù)值模擬方法對(duì)典型艙室結(jié)構(gòu)在艙內(nèi)爆炸載荷下的失效模式進(jìn)行了分析，研究提出艙室板架結(jié)構(gòu)主要有4 種失效模式，并提出加強(qiáng)筋布置在迎爆面有利于削弱角隅處的沖擊波匯聚作用。孔祥韶[6] 對(duì)艙內(nèi)爆炸作用下含液多艙室結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真分析，重點(diǎn)討論了爆炸沖擊波與破片聯(lián)合作用載荷及艙內(nèi)液體的影響；李營等[7] 開展了艙室模型在帶殼戰(zhàn)斗部艙室內(nèi)爆下的毀傷特性試驗(yàn)研究，指出在艙內(nèi)爆炸作用下艙室結(jié)構(gòu)遭受爆炸沖擊波、高速破片群載荷、準(zhǔn)靜態(tài)壓力載荷的耦合作用，其中越靠近戰(zhàn)斗部的位置受沖擊波與破片載荷的聯(lián)合作用越明顯。侯海量等[8] 分析了艙內(nèi)爆炸載荷的特點(diǎn)，并通過數(shù)值仿真手段討論了結(jié)構(gòu)的破壞模式，發(fā)現(xiàn)艙內(nèi)爆炸時(shí)角隅處的載荷強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其他位置，艙內(nèi)結(jié)構(gòu)破壞的主要模式為沿角隅位置發(fā)生撕裂。現(xiàn)階段的研究基本集中在試驗(yàn)與仿真分析，對(duì)艙室內(nèi)爆下艦船結(jié)構(gòu)損傷計(jì)算方法的研究較少。

本文中，通過開展艙段模型的內(nèi)爆試驗(yàn)，基于試驗(yàn)后艙室結(jié)構(gòu)的破壞范圍及破壞模式，建立艙室內(nèi)爆載荷下結(jié)構(gòu)損傷變形的計(jì)算方法。