水下爆炸載荷作用下艦船結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究綜述

牟金磊 朱 錫 黃曉明

海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院，湖北武漢 430033

水下爆炸載荷作用下艦船結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究綜述

牟金磊 朱 錫 黃曉明

海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院，湖北武漢 430033

在海戰(zhàn)中，水下爆炸載荷是艦船結(jié)構(gòu)的主要威脅之一。艦船結(jié)構(gòu)響應(yīng)非常復(fù)雜，可以分為整體響應(yīng)和局部響應(yīng)兩大類，分別從這兩個(gè)方面總結(jié)了水下爆炸載荷作用下艦船結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究的國內(nèi)外研究進(jìn)展情況。根據(jù)不同的研究方法，從理論、試驗(yàn)和仿真三個(gè)角度對收集的文獻(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析與總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上提出了現(xiàn)有工作中的不足，對該領(lǐng)域有待解決的問題和發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望，可為其他研究者提供參考。

水下爆炸；艦船結(jié)構(gòu)；綜述

1 引言

在海戰(zhàn)中，水雷、魚雷和深彈等水中兵器在水下爆炸時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊波和氣泡脈動(dòng)壓力等載荷，這些載荷能導(dǎo)致艦船局部或總體結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重毀傷，使艦船喪失戰(zhàn)斗力。為提高艦船抗爆能力，各國海軍都在進(jìn)行水下爆炸載荷及其對艦船結(jié)構(gòu)毀傷作用研究，特別是各海軍強(qiáng)國，如美國、澳大利亞等，在裝藥的設(shè)計(jì)和性能、爆炸機(jī)理、艦船響應(yīng)等方面，通過采用理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)和實(shí)船試驗(yàn)等手段，開展了大量研究工作，基本涵蓋了水下爆炸及其對艦船毀傷作用研究的主要方面，并取得了大量成果［1－9］，其研究成果為提高艦船生命力提供了科學(xué)依據(jù)。我國海軍也開始逐漸重視這一方面的研究工作，許多研究單位和學(xué)者都不同程度地投入到了這一領(lǐng)域中。

水下爆炸沖擊波載荷的峰值壓力大，作用時(shí)間短，可以使艦船局部變形或破裂。氣泡脈動(dòng)的壓力要比沖擊波小得多，但其作用時(shí)間卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過首次沖擊波，其沖量與沖擊波相當(dāng)，甚至還超過沖擊波，且氣泡運(yùn)動(dòng)的周期與艦船整體結(jié)構(gòu)頻率相當(dāng)，易使船體產(chǎn)生“鞭狀響應(yīng)”（whipping），對艦船的整體強(qiáng)度具有很大影響。當(dāng)炸藥在離艦船較近處爆炸時(shí)，氣泡受艦船結(jié)構(gòu)邊界的影響容易失穩(wěn)而產(chǎn)生射流，從而在沖擊波破壞的基礎(chǔ)上進(jìn)一步引起艦船結(jié)構(gòu)毀傷。

水下爆炸載荷作用下的艦船結(jié)構(gòu)響應(yīng)是一個(gè)高度非線性的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，涉及流固耦合、塑性動(dòng)力學(xué)、斷裂力學(xué)等多個(gè)學(xué)科，研究方法也涉及理論、試驗(yàn)、仿真等多個(gè)方面。自20世紀(jì)50年代起，人們就開始進(jìn)行該領(lǐng)域的系統(tǒng)研究。本文主要從局部結(jié)構(gòu)和整體結(jié)構(gòu)兩方面來總結(jié)前人的工作，在每個(gè)方面，又各自從理論、試驗(yàn)、仿真三個(gè)角度進(jìn)行了分析。

2 水下爆炸載荷作用下艦船局部結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究

2.1 理論研究

艦船局部結(jié)構(gòu)主要由板、殼、梁等基本元素構(gòu)成，對艦船局部結(jié)構(gòu)的響應(yīng)研究可簡化為對這些簡單結(jié)構(gòu)的研究。理論研究的方法主要是求解流固耦合的瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)微分方程，但因理論求解具有局限性，因此，在國外，早期的工作基本限制在對相對簡單結(jié)構(gòu)（圓板、方板、圓柱殼等）的塑性動(dòng)力響應(yīng)上。

因圓板的主應(yīng)力方向一致，情況較為簡單，因而板的塑性動(dòng)力響應(yīng)研究是從圓板開始。Hopkins等［10］首先研究了剛塑性的簡支圓板動(dòng)力響應(yīng)問題，后來，國外許多學(xué)者［11－14］針對不同邊界條件和載荷條件，對圓板的塑性動(dòng)力響應(yīng)問題做了大量工作，但這些研究所采用的屈服準(zhǔn)則多為最大正應(yīng)力準(zhǔn)則和Tresca屈服準(zhǔn)則，幾乎無人考慮沖擊引起的高應(yīng)變率對屈服準(zhǔn)則的影響。國內(nèi)也有不少學(xué)者對圓板塑性動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行過研究，如席豐等［15］利用有限變形彈塑性的最小加速度原理，建立了分析圓板動(dòng)力響應(yīng)問題的方法；王延斌等［16］根據(jù)不同材料選用不同強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一強(qiáng)度理論，求解了簡支圓板在中等脈沖載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)問題；諶勇等［17］分析了剛塑性圓板受水下爆炸載荷時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)問題，分析了圓板的永久變形場，考察了流固耦合作用及空泡對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。

對于非圓板的塑性動(dòng)力響應(yīng)，其情況要復(fù)雜得多。Cox 和 Morland［18］采用 Tohansen 屈服準(zhǔn)則，給出了簡支方板在均布載荷下的最終變形計(jì)算方法，但未考慮彈性應(yīng)變、加工硬化和應(yīng)變率的影響。若考慮到水下爆炸載荷，問題會(huì)更加復(fù)雜。1950年，Taylor采用一維笛卡爾坐標(biāo)，將水視為線性流體，提出了空背板結(jié)構(gòu)在水下爆炸弱擊波作用下的精確解，但他在分析中沒有考慮水下爆炸的空穴效應(yīng)。之后，有人又采用模態(tài)法進(jìn)一步研究了空背板結(jié)構(gòu)在水下爆炸強(qiáng)擊波作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。與Taylor不同的是，他們將水視為非線性流體，得到了該問題的一維笛卡爾坐標(biāo)下的解析解，但他們同樣也沒有考慮空穴效應(yīng)。Bleich和Sandler則專門分析了空背板結(jié)構(gòu)在水下爆炸弱擊波作用下空穴現(xiàn)象產(chǎn)生的時(shí)間［19］。他們采用模態(tài)法，同時(shí)將水介質(zhì)視為雙線性流體，得到了在一維笛卡爾坐標(biāo)下空穴發(fā)生時(shí)間的解析公式。1974年，Huang研究了二維軸對稱彈性空背板在水下爆炸球面波作用下的瞬態(tài)變形［20］，在不考慮空穴效應(yīng)的情況下得到了該問題的理論解。Jiang提出了一個(gè)分析加筋板在水下爆炸載荷作用下非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)的簡化解析法［21］。他沿用了以前分析空爆作用下加筋板響應(yīng)的方法，將加筋板模型視為剛塑性梁或交叉梁系，采用Hains線性聲學(xué)理論近似考慮了流固耦合效應(yīng)。在分析中，其考慮了大變形和應(yīng)變率效應(yīng)等因素，通過控制水壓力波形來計(jì)及空穴效應(yīng)和二次加載現(xiàn)象，最后得到了較簡潔的理論解。Hains模型的局限性在于，其只適用于求解結(jié)構(gòu)的早期效應(yīng)，或是衍射效應(yīng)可以忽略的大結(jié)構(gòu)。他指出，如果要擴(kuò)大該方法的適用范圍，可以采用Kirchhoff的遲滯勢理論來替代Hains模型。為此，Jiang提出了一個(gè)用遲滯勢理論來分析水下爆炸載荷作用下圓板動(dòng)態(tài)響應(yīng)的有限元方法。該方法采用的是耦合的軸對稱單元。由于遲滯勢理論的數(shù)學(xué)計(jì)算十分繁雜，因此，他力圖使該方法相對簡單并可用于工程計(jì)算。用該方法計(jì)算的近場和遠(yuǎn)場爆炸作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合［22］。 Geers通過引入“殘余速度勢”的方法，在三維空間內(nèi)求解了彈性結(jié)構(gòu)物與液流場間的相互耦合作用［23］。

對于艦船結(jié)構(gòu)在水下爆炸載荷作用下的塑性動(dòng)力響應(yīng)問題，我國的研究主要是求出固支方板的理論響應(yīng)解。吳成等［24］借助能量原理和Lagrangian函數(shù)，研究了固支方板在水下爆炸載荷作用下變形的最終撓度的解析解。吳有生等［25］應(yīng)用能量法提出了一種適用于非接觸爆炸條件下單向加筋船體板架塑性變形的能量公式。劉土光等［26］利用能量法及剛塑性結(jié)構(gòu)模型，研究了在爆炸載荷作用下加筋板的塑性動(dòng)力響應(yīng)，提出了該類結(jié)構(gòu)爆炸沖擊載荷作用下的變形模式及判別條件。唐文勇等［27］利用能量法及剛塑性本構(gòu)模型，對加筋板結(jié)構(gòu)的塑性動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了分析，導(dǎo)出了指數(shù)載荷作用下加筋板塑性動(dòng)力響應(yīng)的持續(xù)時(shí)間及最大殘余變形的表達(dá)式。朱錫等［28］利用能量原理，在考慮中面膜力影響的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了爆炸載荷作用下艦船板架最大殘余變形的計(jì)算公式。牟金磊等［29］利用能量原理，通過將加筋板變形分為整體變形和局部變形兩部分，進(jìn)而推導(dǎo)出了計(jì)算爆炸載荷作用下復(fù)雜加筋板變形撓度的解析公式。

以上研究多基于能量法。能量法忽略中間復(fù)雜過程而直接計(jì)算最終狀態(tài)，雖降低了理論計(jì)算難度，但卻不能詳細(xì)反映結(jié)構(gòu)響應(yīng)過程。在考慮塑性變形過程，運(yùn)用解析法求解結(jié)構(gòu)塑性動(dòng)響應(yīng)方面，于政文［30］從理論上分析了受均布沖擊載荷作用下，位于彈性基礎(chǔ)上的簡支理想剛塑性方板的塑性動(dòng)力響應(yīng)，文中給出了中載和高載情況下各相的解析解。朱錫等［31］通過對爆炸載荷作用下的固支方板進(jìn)行理論分析，導(dǎo)出了固支方板在爆炸載荷作用下的應(yīng)變場，分析了爆炸載荷下固支方板的破裂形式，給出了破裂臨界壓力值。在水下爆炸載荷作用下求解艦船結(jié)構(gòu)響應(yīng)，流固耦合影響不容忽視，但由于計(jì)算難度非常大，因而考慮流固耦合的理論計(jì)算的文獻(xiàn)尚不多見。

2.2 試驗(yàn)研究

在理論上，由于水下爆炸問題涉及流體和船體結(jié)構(gòu)的相互耦合作用，數(shù)學(xué)物理模型的建立尚不十分完善，且由于較強(qiáng)的非線性因素，使得數(shù)值計(jì)算工作量很大，因此，目前研究結(jié)構(gòu)在水下爆炸載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)在很大程度上依賴于試驗(yàn)。在對所建立的數(shù)學(xué)物理模型進(jìn)行檢驗(yàn)和對理論與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證方面，試驗(yàn)研究都是十分必要的。

1984 年，Rentz［32］用試驗(yàn)手段研究了加筋平板在水下爆炸載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。1988年，Gifford等［33］對具有初始裂紋的焊接厚板在水下爆炸載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了研究，并作了一系列試驗(yàn)。Shima等［34］研究了水下爆炸產(chǎn)生的氣泡以及氣泡的破裂對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的沖擊作用。Goertner和Thrum研究了水下爆炸產(chǎn)生的氣泡在水平放置的圓形平板底部破裂時(shí)對圓板產(chǎn)生的沖擊力，并分別研究了軸對稱結(jié)構(gòu)以及不對稱加筋結(jié)構(gòu)兩種情況［35-36］。有人則通過試驗(yàn)，對垂直放置的矩形水背板在受到側(cè)向水下爆炸沖擊波和氣泡破裂沖擊流作用下的響應(yīng)進(jìn)行了研究。

近年來，國外研究的熱點(diǎn)主要是艦船結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊載荷作用下的毀傷模式，主要方法是試驗(yàn)與數(shù)值仿真相結(jié)合。Nurick和 Olson［37］通過對加筋方板進(jìn)行研究，給出了爆炸壓力載荷作用下加筋方板響應(yīng)的試驗(yàn)與仿真結(jié)果，提出隨著載荷強(qiáng)度的增加，應(yīng)變率敏感的板呈現(xiàn)出兩種失效模式：塑性大變形和拉伸撕裂，在數(shù)值分析中，通過考慮幾何、材料非線性的影響和應(yīng)變率效應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)在加強(qiáng)筋較弱的情況下，裂紋首先出現(xiàn)在固支邊界處，在加強(qiáng)筋較強(qiáng)的情況下，裂紋則首先從加強(qiáng)筋處開始。在后續(xù)的研究中，Nurick又將板的失效模式進(jìn)行了細(xì)分，在文獻(xiàn)［38］中，按照有無頸縮現(xiàn)象及頸縮出現(xiàn)的位置，將塑性大變形分為3種子模式：無明顯頸縮、邊界處局部頸縮和整個(gè)邊界頸縮，在文獻(xiàn)［39］中，將撕裂模式也進(jìn)一步分為3種子模式：部分撕裂、隨中點(diǎn)撓度的增加而完全撕裂、隨中點(diǎn)撓度的減小完全撕裂。Ramajeyathilagam等通過試驗(yàn)和數(shù)值仿真，將爆炸載荷作用下板的破壞模式進(jìn)一步進(jìn)行了細(xì)化［40-41］，指出除上述兩種破壞模式外，還有剪切破壞。Langdon通過利用沖擊擺模擬沖擊載荷，并運(yùn)用試驗(yàn)和數(shù)值仿真的方法，能很好地預(yù)測各種不同形式、尺寸加筋板的塑性大變形撓度和形狀，并能預(yù)測撕裂破壞［42-43］。

我國由于條件所限，試驗(yàn)研究開展較少。劉潤泉等［44］對船體單元結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了一系列的水下接觸爆炸試驗(yàn)，擬合了經(jīng)驗(yàn)破口估算公式中的系數(shù)。該公式可用于估算固支方板受水下接觸爆炸作用產(chǎn)生的破口。但由于公式中僅考慮了炸藥藥量和板厚而未考慮加強(qiáng)筋的影響，因而對于船舶結(jié)構(gòu)中較常見的加筋板結(jié)構(gòu)的破口預(yù)測會(huì)有較大偏差。朱錫等［45］人對四邊剛性固定的加筋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了水下接觸爆炸試驗(yàn)，提出了板架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋相對剛度的概念，可用于描繪不同尺寸加強(qiáng)筋在不同炸藥量下對板架結(jié)構(gòu)破口范圍的影響，并對現(xiàn)有的水下接觸爆炸作用下的板架破口長度估算公式進(jìn)行了修正。吳成等人對氣背固支方板進(jìn)行了不同藥量和爆距的水下爆炸沖擊試驗(yàn)，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。牟金磊等［46-47］對水下爆炸載荷作用下的加筋板塑性動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了系列試驗(yàn)研究和仿真研究。

總的來看，由于該領(lǐng)域的試驗(yàn)屬破壞性試驗(yàn)，因而花費(fèi)巨大，試驗(yàn)條件要求也比較高。我國具備試驗(yàn)條件的單位不多，試驗(yàn)研究開展的也較少，且多數(shù)試驗(yàn)是為了驗(yàn)證理論或者數(shù)值仿真而做的驗(yàn)證性試驗(yàn)，缺乏大量、系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。

2.3 仿真研究

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、結(jié)構(gòu)有限元、邊界元以及流固耦合、非線性彈塑性動(dòng)力響應(yīng)軟件的成熟，以及大型工作站、巨型機(jī)的出現(xiàn)，對艦船結(jié)構(gòu)的爆炸動(dòng)力響應(yīng)和破壞模式的研究出現(xiàn)了一個(gè)數(shù)字化的模擬時(shí)代。目前，數(shù)值模擬和仿真手段已由原來可有可無的角色成為該領(lǐng)域研究中的重要組成部分。國外在此方面開展的比較早，且已取得了大量成果。Rudrapatna等［48］給出了四周固定的方形鋼板在沖擊載荷作用下的數(shù)值仿真結(jié)果，該數(shù)值仿真基于有限元公式，考慮了幾何非線性、材料非線性和材料應(yīng)變率效應(yīng)的影響，提出了一個(gè)用包含彎曲、張力和橫向剪力的交互式失效準(zhǔn)則來預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)的失效模式，并開發(fā)了節(jié)點(diǎn)釋放準(zhǔn)則，用于仿真板從邊界處開裂的過程。Balden等［49］對其它文獻(xiàn)中的試驗(yàn)進(jìn)行了仿真，其結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。Liang等［50］提出了一個(gè)耦合非線性有限元和雙重漸進(jìn)逼近法（DAA法）的程序，其中考慮了瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)、幾何非線性、材料的彈塑性和流固耦合。近年來，國外的仿真研究做得非常多，并取得了大量研究成果，達(dá)到了較高水平，基本能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。

隨著各種商用有限元程序的引進(jìn)，我國近年來從事數(shù)值仿真研究的學(xué)者越來越多，也取得了大量研究成果［51-54］。馮剛、張振華等人研究了在水下爆炸載荷作用下受損的加肋圓柱殼的屈曲，結(jié)合DYTRAN軟件和NASTRAN軟件計(jì)算了水下爆炸載荷作用下受損圓柱殼的剩余屈曲強(qiáng)度，并提出了一種結(jié)合上述兩種軟件計(jì)算加肋圓柱殼剩余屈曲強(qiáng)度的方法，其數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好［55］。另外，還比較了肋骨和肋間殼板在迎爆面、側(cè)爆面和背爆面處的中面有效應(yīng)力和應(yīng)變，分析了殼體在三個(gè)不同部位的破壞機(jī)理，并用殼體最終變形的計(jì)算結(jié)果證明，計(jì)算中應(yīng)當(dāng)考慮應(yīng)變率效應(yīng)的影響［56］。姚熊亮等采用有限元軟件ANSYS／LS-DYNA對圓筒結(jié)構(gòu)水下爆炸進(jìn)行了數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究，并對流場邊界的約束進(jìn)行了討論，提出了人工邊界在確定邊界約束上的應(yīng)用，并將數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果與海軍工程大學(xué)的圓筒結(jié)構(gòu)水下爆炸的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，認(rèn)為ANSYS／LS－DYNA在計(jì)算較遠(yuǎn)距離的水下爆炸問題上存在著一定的局限性［57］。賈憲振、胡毅亭等根據(jù)流固耦合的Taylor平板理論和Cole的水下爆炸經(jīng)驗(yàn)公式，得到了水下爆炸沖擊波作用下平板迎爆面的總壓力載荷，并將該壓力載荷嵌入到了ABAQUS程序的用戶自定義載荷子程序VDLOAD中，實(shí)現(xiàn)了對ABAQUS的二次開發(fā)，運(yùn)用該方法，模擬了水下爆炸沖擊波作用下固支平板的塑性動(dòng)力響應(yīng)，其結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好［58］。

由于西方國家對我國計(jì)算水下爆炸專用程序USA進(jìn)行技術(shù)封鎖，因此與發(fā)達(dá)國家相比，我國的仿真研究水平還有很大差距，多數(shù)研究都需要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證才能確保精度。且我國的仿真研究多采用的是國外的商用軟件，不少研究人員并不清楚有限元的基本原理而進(jìn)行盲目的研究，即便是有超級(jí)的計(jì)算技術(shù)，也仍將得到毫無意義的結(jié)果。所以，要想真正利用數(shù)值仿真來代替試驗(yàn)研究，還有相當(dāng)長的路要走。

3 水下爆炸載荷作用下艦船整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究

水下爆炸氣泡的脈動(dòng)壓力周期性較強(qiáng)，其基頻與船體梁結(jié)構(gòu)的一二階固有頻率十分接近，易使船體產(chǎn)生鞭狀響應(yīng)，造成嚴(yán)重的總體結(jié)構(gòu)破損。艦船整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)也主要是考慮氣泡脈動(dòng)壓力。隨著“氣泡能”概念武器的出現(xiàn)，艦船附近由于氣泡運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的浮力損失有可能會(huì)使艦體發(fā)生縱向折斷或傾覆。

3.1 理論研究

Stettler［59］對爆炸氣泡作用下潛艇結(jié)構(gòu)鞭狀響應(yīng)問題的求解方法予以了研究，探討了能量耗散（阻尼）問題對潛艇整個(gè)載荷力作用和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。 1986 年，Vernon［60］從理論上研究了水面艦艇在水下爆炸產(chǎn)生的氣泡作用下的鞭狀響應(yīng)（whipping response），建立了理論模型并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析。模型中認(rèn)為水不可壓，其忽略了初始沖擊波的影響，并引入了表征能量散逸的虛擬壓力阻尼系數(shù)。利用該文的方法，可以計(jì)算船體殼體的鞭狀響應(yīng)位移和應(yīng)力。Shin［61］則在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對水下爆炸作用下船體結(jié)構(gòu)響應(yīng)中非常重要的船體結(jié)構(gòu)阻尼問題進(jìn)行了研究探討，提出了艦船瞬時(shí)時(shí)域分析中所需的艦船系統(tǒng)阻尼模型。在如龍骨、艙壁和甲板的各個(gè)區(qū)域，對Rayleigh阻尼參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行了定量分析和評估，認(rèn)為Rayleigh阻尼參數(shù)適用于艦船抗沖擊響應(yīng)預(yù)報(bào)。

在我國，有人對魚雷、導(dǎo)彈和核武器等在水下爆炸時(shí)產(chǎn)生的載荷特點(diǎn)進(jìn)行過論述，并分析了沖擊波、氣泡脈動(dòng)和二次加載的產(chǎn)生過程及其對船體的作用。劉建湖等［62］利用結(jié)構(gòu)有限元及修正的DAA法研究了水下爆炸沖擊波載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。一般認(rèn)為，沖擊波主要是會(huì)引起艦船結(jié)構(gòu)的局部毀傷，因而研究沖擊波對整體結(jié)構(gòu)破壞的文獻(xiàn)比較少見。近年來，氣泡載荷對整體結(jié)構(gòu)毀傷的研究較多。姚熊亮等［63］將船體梁視為兩端自由的Timoshenko梁，在二維切片法和水彈性方法的基礎(chǔ)上，計(jì)算了船體梁在水下爆炸二次脈動(dòng)壓力下的響應(yīng)特性，計(jì)算結(jié)果表明，氣泡脈動(dòng)壓力易產(chǎn)生較大的總縱彎矩，從而造成總體結(jié)構(gòu)破損。李玉節(jié)［64-65］對細(xì)長船體在水下爆炸氣泡載荷作用下的鞭狀運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和理論研究，考慮了水面效應(yīng)的影響，指出周期性的氣泡脈動(dòng)載荷會(huì)引起艦船整體的嚴(yán)重毀傷。宗智［66］研究了浮于水面的兩端自由梁在水下爆炸氣泡脈動(dòng)作用下的剛塑性響應(yīng)，并將兩端自由梁的剛塑性動(dòng)態(tài)響應(yīng)分為三相，得到了能夠初步預(yù)測船體結(jié)構(gòu)在水下爆炸氣泡脈動(dòng)作用下的塑性響應(yīng)公式。朱錫等［67］為研究氣泡對船體總縱強(qiáng)度造成的影響，建立了將艦船靜置于爆炸氣泡上的總縱強(qiáng)度理論計(jì)算方法，通過采用靜置氣泡假設(shè)，將氣泡產(chǎn)生的浮力損失和壓力差轉(zhuǎn)化為等效載荷，計(jì)算了氣泡作用后船體的總縱彎矩和剪力并進(jìn)行了強(qiáng)度校核。

雖然整體結(jié)構(gòu)可以簡化為一維目標(biāo)，難度上較局部結(jié)構(gòu)略有降低，但理論研究還僅局限于簡單載荷和簡單模型，與工程實(shí)際應(yīng)用尚有較大差距，例如，炸藥在船底中部附近爆炸，氣泡與船體結(jié)構(gòu)接觸，由于船體中部吃水被爆炸氣泡排開等這種復(fù)雜情況下船體梁的總體響應(yīng)就很難解決。

3.2 試驗(yàn)研究

美海軍非常重視軍艦的抗爆性能，幾乎每型水面艦艇的首艦都要進(jìn)行水下爆炸試驗(yàn)，也稱為抗沖擊試驗(yàn)（shock trial）。實(shí)船試驗(yàn)大致可分為兩類，一是對即將服役的新型軍艦的首艦進(jìn)行實(shí)船抗沖擊試驗(yàn)，用以評估戰(zhàn)斗沖擊環(huán)境中船體和與作戰(zhàn)使命密切相關(guān)的設(shè)備的易損性和生命力（圖1）。例如，Hart［68］在論文中提到，美國軍艦 Winston S.Churchill號(hào)（DDG－81）于 2001年 5～6月間在佛羅里達(dá)州的Mayport海軍基地進(jìn)行了抗沖擊試驗(yàn)。Winston S.Churchill號(hào)是“阿利·伯克”級(jí)最新Ⅱ－A型的首艦。二是對退役的老艦進(jìn)行破壞性的實(shí)船水下爆炸試驗(yàn)，主要用于研究船體和設(shè)備的爆炸機(jī)理、破壞模式和抗沖擊措施等，從而為提高軍艦的抗沖擊研究水平提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持（圖2）。

實(shí)船抗沖擊試驗(yàn)非常昂貴，而且需要作大量的論證準(zhǔn)備和組織協(xié)調(diào)工作，會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間。另外，實(shí)船抗沖擊試驗(yàn)也會(huì)對試驗(yàn)艦船和人員造成潛在的威脅，對環(huán)境造成一定的影響。我國曾在上世紀(jì)70年代進(jìn)行過某型艇的實(shí)艇系列爆炸實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)從總強(qiáng)度、局部強(qiáng)度到艇上設(shè)備的沖擊都進(jìn)行了測試，獲得了水面艦艇在水下爆炸作用下動(dòng)力響應(yīng)及破壞機(jī)理的相當(dāng)可貴的數(shù)據(jù)。

近年來，我國海軍加大了實(shí)船試驗(yàn)方面的投入，陸續(xù)對一些新建艦船和退役艦船進(jìn)行了水下爆炸研究。另外，大量學(xué)者和研究人員也積極投身到了實(shí)船試驗(yàn)研究中。相信在不久的將來，我國在該方面的研究定會(huì)有突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

3.3 仿真研究

實(shí)船的抗沖擊試驗(yàn)不僅復(fù)雜而且昂貴，而數(shù)值模擬則是節(jié)省成本的一個(gè)好方法。Mair等［69-70］專門對美海軍在艦船抗沖擊研究中數(shù)值模擬方法的應(yīng)用與發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析。Santiaqo［71］對“阿利·伯克”級(jí)驅(qū)逐艦（DDG-51）初步設(shè)計(jì)方案模型在水下爆炸作用下的響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值研究，結(jié)果表明，水下爆炸作用下艦船模型的建立能夠幫助評估 “阿利·伯克”級(jí)驅(qū)逐艦設(shè)計(jì)中的Ⅱ-A（DDG-79）設(shè)計(jì)方案并為其生命力試驗(yàn)節(jié)省經(jīng)費(fèi)。Wood［72］認(rèn)為有限元模型及數(shù)值模擬是一種可行的、低成本的替代方法，有限元建模及相應(yīng)的數(shù)值模擬方法能為水下爆炸模擬中流場模型的進(jìn)一步研究提供基礎(chǔ)。Hart［73］對水下爆炸作用下的船體和流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與Winston S.Churchill號(hào)實(shí)船抗沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。

以上數(shù)值模擬工作都用到了USA計(jì)算模塊。這一計(jì)算模塊是基于雙重漸進(jìn)近似方法（DAA）開發(fā)的，該方法在沖擊波載荷對艦船結(jié)構(gòu)的破壞研究中應(yīng)用較廣泛。在我國，劉建湖在其博士論文中也對這一方法進(jìn)行了詳細(xì)研究［74］。 Hammond［75］則對LS－DYNA／USA程序中流體初始化問題對計(jì)算結(jié)果的影響進(jìn)行了探討。

張振華等提出了一個(gè)利用MSC／DYTRAN數(shù)值模擬水面船舶在遠(yuǎn)距離水下爆炸載荷作用下動(dòng)力響應(yīng)的方法。用FORTRAN語言編譯用戶子程序，在近場水域邊界處加上沖擊波載荷以模擬遠(yuǎn)場爆炸效應(yīng)，進(jìn)而利用DYTRAN中強(qiáng)大的流固耦合計(jì)算功能，計(jì)算船體在水下沖擊波作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。同時(shí)，其還研究了邊界定義和單元?jiǎng)澐謱_擊波傳播的影響。該方法彌補(bǔ)了DYTRAN計(jì)算遠(yuǎn)場水下爆炸的某些不足，計(jì)算所得到的船體附近的自由場壓力與經(jīng)驗(yàn)公式的結(jié)果基本一致，船體的沖擊響應(yīng)與相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也比較吻合［76］。姚熊亮和張阿漫［77］采用有限元計(jì)算程序ABAQUS對艦船水下爆炸進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過對幾種典型艦船水下爆炸進(jìn)行的數(shù)值計(jì)算和分析，總結(jié)了用ABAQUS進(jìn)行水下爆炸數(shù)值分析的技巧和方法，并把部分計(jì)算數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明，利用ABAQUS軟件，在計(jì)算艦船水下爆炸過程中，只要相應(yīng)參數(shù)設(shè)置合理，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)基本吻合，可以滿足工程要求。

與局部結(jié)構(gòu)研究類似，近年來在引進(jìn)國外先進(jìn)軟件的基礎(chǔ)上，若干院所積極開展了有限元及相關(guān)技術(shù)的研究，并對一些實(shí)艇結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全艇數(shù)值模擬分析，以期進(jìn)行抗爆強(qiáng)度校核，但要達(dá)到理想的精度目標(biāo)，還需進(jìn)行更深入、全面的研究。

4 研究建議及展望

水下爆炸載荷作用下艦船結(jié)構(gòu)的響應(yīng)研究是一個(gè)非常復(fù)雜的課題，其中涉及流固耦合、氣液耦合、氣液固三相耦合等難題，需要綜合結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、塑性動(dòng)力學(xué)、斷裂力學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)。對于該領(lǐng)域的研究，還有很多工作要做，現(xiàn)結(jié)合本文查閱的文獻(xiàn)，提出以下幾點(diǎn)研究建議：

1）氣泡塌陷發(fā)生射流會(huì)給艦船結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的局部毀傷，但國內(nèi)外在該方面的研究都還不成熟，尚有大量工作要做。

2）艦船局部結(jié)構(gòu)在水下爆炸載荷作用下的毀傷計(jì)算主要集中在求解殘余變形撓度方面，關(guān)于破口方面的研究還比較少，還需要加強(qiáng)。

3）炸藥在船底中部附近近距爆炸時(shí)，若氣泡與船體結(jié)構(gòu)接觸，則由于船體中部吃水被爆炸氣泡排開，艦船底部產(chǎn)生負(fù)壓，船體在重力和負(fù)壓的作用下產(chǎn)生中垂，可能會(huì)被折斷破壞。若氣泡與結(jié)構(gòu)未接觸，在氣泡收縮過程中，隨著流體運(yùn)動(dòng)，在艦船底部也會(huì)形成一個(gè)持續(xù)時(shí)間較長、范圍較大的負(fù)壓，可能會(huì)使艦船整體出現(xiàn)嚴(yán)重的中垂破壞。這種破壞模式的研究一直都是一個(gè)空白。

隨著國內(nèi)外學(xué)者對水下爆炸載荷作用下艦船典型結(jié)構(gòu)毀傷研究的不斷深入，有關(guān)氣泡射流載荷對艦船結(jié)構(gòu)的毀傷機(jī)理、結(jié)構(gòu)破口計(jì)算以及氣泡負(fù)壓載荷對艦船整體的破壞模式等方面的研究也在不斷發(fā)展，這對指導(dǎo)人們改進(jìn)艦船設(shè)計(jì)水平，提高其抗爆抗沖擊能力具有重要意義。

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Advances in the Research of Ship Structural Response Subjected to Underwater Explosions

Mu Jin－lei Zhu Xi Huang Xiao－ming
College of Naval Architecture and Power， Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

In the naval warfare， the undewater explosion load is one of the main threats to the ship structures.However， the structural responses are quite complex， which can be devided into global response and local response.The advances in the research of dynamic response of ship structures are summarized.With different methods， the responses of local structure and global structure are analyzed respectively from the aspects of theoretical， experimental and simulation.Some of deficiencies currently in the research works as well as problems need further study are put forwards.

underwater explosion； ship structure； review

U661.6

A

1673－3185（2011）02－01－08

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.02.001

2010-03-02

國家安全重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（51335020103）

牟金磊（1980－），男，博士研究生。研究方向：艦船結(jié)構(gòu)水下抗爆抗沖擊。E-mail：mjl1007＠163.com

朱 錫（1961－ ），男，教授，博士生導(dǎo)師。 研究方向：艦船結(jié)構(gòu)抗爆。E-mail：zhuxi816＠163.com