多艙防護結構水下接觸爆炸吸能研究

張倫平，張曉陽，潘建強，劉建湖

（1中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫214082；2哈爾濱工程大學 船舶工程學院，哈爾濱150001）

1 引 言

水下接觸爆炸時，藥包附近的艦船結構會出現大范圍的破損，單層板結構不能對艦船內部重要設備和人員進行有效防護，多艙防護結構才可能有效防護水下接觸爆炸載荷。

由于舷側遭受魚雷接觸爆炸威脅較大，多艙防護結構一般布置在兩舷側，又稱為舷側防護結構。多艙防護結構一般為膨脹艙、吸收艙和水密艙的三艙防護結構，膨脹艙為空艙，內部布置交錯的隔板，為第一道防線，吸收艙內裝有大量的水或重油，吸收艙內壁很厚，為懸鏈力結構，可提供大量變形能，為第二道防線，水密艙為空艙，水密艙內壁上有很強的加強筋，為最后一道防線。見圖1。

世界海軍強國很早就開始進行多艙防護結構的研究，并很快將其應用到航母上。二戰前后，世界各國航母上就開始采用舷側多艙防護結構防御魚雷或水雷的接觸爆炸。資料顯示，世界海軍強國為研究多艙防護結構，投入巨大，也得到了豐富的成果。1947年美國曾對“獨立號”和“薩拉托加號”航母進行水下爆炸試驗，后來建造的尼米茲級航母全艦共有2 000多個水密艙室，是世界上生命力最強的軍艦。日本也開展了大量的實船試驗，系統研究了多艙防護結構的結構形式、艙室寬度、艙室布置、防護壁板厚等多個參數。前蘇聯對多艙防護結構各防護艙室寬度甚至防護結構上層甲板厚度都有明確的限制，還建立了計算舷側接觸爆炸極限藥量的經驗公式。

舷側防護結構占用很大的空間和質量，一般在大型艦船上使用，而我國的大型艦船相對較少，相關的研究也很少。海軍工程大學對舷側多艙結構的破損和防護機理進行了研究，得到了一些規律性的結論。

本文進行的多艙防護結構模型水下接觸爆炸試驗，以及基于能量的分析結果，對于未來我國大型艦船舷側防護設計具有一定意義。

圖1 多艙防護結構示意圖Fig.1 The Sketch map of multicamerate defence structure

2 多艙防護結構模型設計

國外大型艦船的多艙防護結構，在船長方向長數百米，在船寬方向寬4～5m，在船高方向高約10m，非常龐大，而且整體形狀并不規則，內部還有眾多大大小小的加強筋，要建立準確的縮比模型非常困難。

因此，本文中的試驗模型并不是多艙防護結構的縮比模型，但在可能的范圍內，盡量保留了普通多艙防護結構的相對尺寸關系，并全部模擬了多艙防護內部的主要功能結構。

膨脹艙內有帶孔的橫豎交叉的隔板，眾多的交叉隔板將外板和膨脹艙內壁連成一體，且自身在爆炸載荷作用下必然變形和破裂，在影響膨脹艙破壞模式的同時也消耗了載荷，是重要的功能結構，隔板上的孔可能使爆炸產生的高壓氣團更容易擴散。模型對膨脹艙內交叉隔板及隔板上的孔都進行了模擬，為了加工方便，用圓孔替代橢圓孔。

吸收艙內80%容積為液體，一般為重油或水，其主要作用是吸收破片。模型吸收艙內也有80%的液體，裝的是水，但考慮到破片速度很高，模型內0.1m左右的水層可能不足以吸收破片，在吸收艙內疊放多塊自由的薄玻璃鋼板，既能保證破片吸收，又不影響沖擊波的透射效果。

吸收艙內壁為厚板，在爆炸載荷作用下能形成懸鏈力結構，吸收大量載荷能量，其與上下結構連接的接頭剛度非常大，且能避免吸收艙內壁大變形時的應力集中，是吸收艙內壁發揮最大功能的保證。模型中吸收艙內壁與周邊的連接處用角鋼進行了加強，角鋼提高了邊界的抗拉能力，也減弱了應力集中，替代了實際結構上接頭的效果。

模型總重量1.05t，其中排水量0.37t，負浮力0.68t。

模型分為試驗框架和試件，試驗框架用來模擬多艙防護結構的邊界，試件模擬多艙防護結構。

2.1 試驗框架

試驗框架設計圖如圖2所示

試驗框架的外總體尺寸為長×寬×高（mm3）：1 760×330×760， 內部模型安裝尺寸為長×寬×高（mm3）：1 500×310×500， 共由三部分框架組成，每個框架均有鍥口用于配合，三部分構件通過螺栓緊固，為了保證水密性，相鄰構件的接合面均有橡膠條進行密封，框架的材料采用16Mn鋼。

以吸收艙內壁屈服時的應力作用到框架作為最嚴酷載荷對試驗框架進行強度校核。試驗框架強度校核計算結果見圖3。計算結果表明，在試件破壞產生的載荷條件下，框架最大應力位置出現在框架與試件焊接部位，最大值為288MPa，框架并未屈服，能夠滿足重復試驗的要求。

2.2 試件

圖2 試驗模型框架Fig.2 The frame of experiment model

圖3 試驗模型框架強度校核結果Fig.3 The result of checking intensity for the frame of experiment model

考慮到模型加工、參數測量以及爆炸水池的條件，模型的設計高度為0.5m；根據經驗，當板的長寬比大于3:1后，長邊邊界對板變形的影響可以忽略，因此，取模型長度為高度的3倍，即模型長度為1.5m；綜合考慮艙室功能的模擬和加工、測量的可行性，取膨脹艙、吸收艙和水密艙模型的寬度分別為0.1m、0.1m和0.08m（改變功能艙寬度的試驗模型除外）。整個艙室的寬度為0.28m。試件材料為Q235。

模型設計簡圖見圖4。圖中，附加艙主要目的是為了模擬水密艙內艙壁的狀態，附加艙的寬度為50mm，附加艙水密蓋板厚為20mm，外側有角鋼加強。

3 多艙防護結構模型水下接觸爆炸試驗

在CSSRC沖擊爆炸試驗水池，前后共進行了11次多艙防護結構模型水下接觸爆炸試驗。

3.1 試驗工況設計

圖4 模型設計簡圖Fig.4 The sketch of model design

表1 試驗工況表Tab.1 The contents of experiments

試驗工況見表1，其中，水密艙內壁厚度為3mm，水密艙寬度為80mm，這兩者保持不變。另外，工況4爆炸試驗在陸上進行，模型外板上焊接了一個壁厚1mm的水箱，里面灌滿水，以保證爆炸氣泡載荷在第一時間潰散，不會對模型破損造成影響。

在有限次數的水下接觸爆炸試驗中，主要考慮爆點位置、藥量和板厚等主要因素對防護效果的影響，見表2。

表2 工況考核要素表Tab.2 The design for checking the parameter influence

3.2 試驗后模型破損情況

試驗后主要破壞和變形情況見表3，其中，在所有試驗中水密艙內壁變形都很小，最大變形不到10mm。

試驗后膨脹艙的破損比較嚴重，工況1、5、6、8為藥量對比工況，外板破損情況見圖5。從圖中可以看到，隨著藥量增大，外板破損越來越嚴重，另外，膨脹艙內的隔板對抑制裂紋擴展有良好的作用。

表3 試驗后破損情況表Tab.3 The disrepair of the model after experiment

圖5 藥量對比工況外板破損情況Fig.5 The disrepair of broadside plate under different mass detonator

4 試驗結果能量分析

破損和變形測量能夠定性反映多艙防護結構的防護效果，但很難量化。本文建立了以能量為基礎的計算分析方法，能量既能準確描述爆炸載荷，又能量化結構破損和變形的總體效果，因此不僅能量化防護效果，還能得到載荷和響應之間的能量對比關系，具有一定的實用價值。

4.1 能量分析方法概述

初始能量為藥包的化學能，取TNT的化學能為4.4MJ/kg，由藥量可計算初始能量。

按水下爆炸理論，初始能量分為53%沖擊波能和47%的氣泡能，根據工況4的試驗結果，氣泡能對結構破損的影響可以忽略，因此，作用到多艙防護結構上的能量只是一部分沖擊波能。

根據沖擊波球形擴散的特點，結合藥包和多艙防護結構的幾何關系，可以推算總作用能量占總沖擊波能的一半略少，準確的結果可以進行積分得到。

至此，可以計算得到總作用能量。

多艙防護結構總吸能量分為兩大部分，近結構吸能和遠結構吸能。近結構指整個膨脹艙，遠結構指吸收艙內壁和水密艙內壁。近、遠結構離爆點位置不同，結構形式也不同，對水下接觸爆炸載荷的響應也不同。近結構離爆點最近，在艙內交叉隔板的銜接下，近結構會產生整體變形和局部破損，遠結構離爆點較遠，破片被水層吸收，載荷經過近結構和水層的緩沖，對遠結構的作用趨于均勻，平板狀的遠結構主要產生總體變形。

舷側防護結構的總吸能，可以按圖6分為8個小項，從計算方法的不同，可分為3種。

圖6 多艙防護結構吸能分類Fig.6 The energy sort of multicamerate defence structure

（1） 板變形能

板變形能包括4個小項：外板局部變形能、膨脹艙內壁局部變形能、吸收艙內壁變形能和水密艙內壁變形能。在這部分能量計算中，板的邊界都近似作為固支邊界，取變形模式為余弦變形模式，也可取拋物線變形模式，計算結果差別不大。量取目標板中心區域的撓度，就可以計算這塊板的變形能。

尺寸為2a×2b×t的矩形板，取永久變形為余弦變形模式，最大變形為w，忽略彈性變形能，不考慮材料硬化，可得到彎曲變形能和拉伸變形能。

圖7 膨脹艙整體彎曲變形示意圖Fig.7 The sketch map of whole bending of inflated cabin

（2）板架結構變形能

板架結構變形能包括1個小項：膨脹艙整體變形能。膨脹艙內交叉隔板相當于工字鋼中的腹板，使得膨脹艙的整體抗彎剛度很大，膨脹艙整體的變形能以彎曲變形能為主，具體計算時，可根據膨脹艙的整體撓度，結合交叉隔板的布置，將膨脹艙的整體變形能轉化為多根工字鋼的彎曲變形能。

（3） 板破壞能

第三種為板破壞能，包括3個小項：外板局部破壞能、膨脹艙內隔板破壞能和膨脹艙內壁局部破壞能。這部分能量計算是以Wierzbicki的吸能計算[1]為基礎的改進，建立了以裂紋長度為參數的吸能計算方法，由于膨脹艙結構每塊板都被分割成很多小板，破損的小板上會有裂紋，但不一定有破口，因此，改進后的計算方法更實用。

花瓣開裂條件下的彎曲能和斷裂能變化率公式：

應用變分原理可得花瓣開裂總能量：

分析花瓣開裂總能量和花瓣開裂裂紋，可得到以裂紋長度為自變量的破壞總能量表達式：

4.2 能量分析結果

根據上面的能量分析方法，對全部11次試驗的能量結果進行了計算，并對能量比例進行分析，見表4。

表4 能量分析結果表Tab.4 The results of energy analyse

4.2.1 爆點位置對防護效果的影響

比較工況1和2，發現與藥包在板格中心相比，藥包在板格交叉點時，遠結構吸能減小了70%而近結構吸能增大了14%，比較近結構吸能的各個小項，外板破口吸能增大了38%，膨脹艙內壁破口吸能減小為零，膨脹艙整體變形能增大49%，膨脹艙內壁局部變形增大了103%。

爆點在板格交叉點時，防護效果最好，爆點在板格中心點時，防護效果最差，在藥量較小時，兩種條件下的遠結構吸能可相差2～3倍。

4.2.2 膨脹艙內隔板對防護效果的影響

比較工況1和3，發現與膨脹艙內有隔板相比，膨脹艙內無隔板時，遠結構吸能減小為零，近結構吸能差別較小，比較近結構吸能的各個小項，外板破口吸能增大了168%，膨脹艙內壁破口吸能減小為零，膨脹艙整體變形能減小為零。

可見，膨脹艙內的隔板對結構破壞模式有較大的影響，有隔板時，在膨脹艙內形成通道，遠結構容易受到載荷作用而變形，無隔板時，在不考慮相互碰撞的前提下，外板、膨脹艙內壁都嚴重破裂后，遠結構才會產生變形。

4.2.3 爆炸氣泡載荷對防護效果的影響

圖8 工況4試驗狀態示意圖Fig.8 The photo of the fourth experiment

圖9 工況7吸收艙內壁局部凹陷Fig.9 The local pit on the primary bulkhead in the seventh experiment

比較工況1和4，發現兩者近結構和遠結構吸能都非常接近，差別在10%以內，由于工況4藥包在水箱內接觸爆炸，氣泡載荷在第一時間潰散，不可能對結構造成毀傷，因此，可以認為在工況1藥包在水下接觸爆炸時氣泡載荷對結構損傷也基本無影響。

比較近結構吸能的各個小項，發現藥包在水箱內爆炸時，膨脹艙內壁破口吸能增大100%，外板變形吸能增大31%，而膨脹艙整體變形吸能減小71%，這些能量差異是由于舷側防護結構在縱向有10跨，而水箱在縱向只有3跨，導致局部變形和破壞更嚴重，而整體變形減小。

4.2.4 艙室寬度對防護效果的影響

比較工況5和7，發現兩者近結構和遠結構吸能都非常接近，差別在5%以內，但膨脹艙較寬，吸收艙較窄的工況7試驗后在吸收艙內壁上發現了彈片擊中形成的局部圓形凹陷，面積與藥包截面積相近。這表明，吸收艙寬度需要保持在能夠有效吸收破片的水平上。

4.2.5 板厚對防護效果的影響

膨脹艙內壁、外板和吸收艙內壁分別增加同等厚度時，舷側防護結構的防護能力會得到不同程度的提升，提升的比例約為：1:2.5:3，詳見表5。

4.2.6 總吸能量占總作用能量的比例

總吸能量/總作用能量約為80%，從圖10可以看到，這個比例是基本固定的。

4.2.7 近、遠結構的吸能比例

藥量超過92g后，結構各部分吸能比例趨于穩定，最終近結構和遠結構的吸能比例約為80%和20%。

表5 板厚對防護效果的影響Tab.5 The defense effect which is affected by plate thickness

圖10 總吸能量/總作用能量按工況的分布Fig.10 The proportion between the energy absorbed and the laying energy in each experiment

圖11 遠結構吸能比例Fig.11 The proportion of absorbed energy within the distant structure

5 結 論

本文以艦艇多艙防護結構為研究對象，用理論方法推導了各部分結構整體變形、局部變形和破口等吸能的計算方法，并通過了系列縮比模型的水下爆炸試驗驗證。通過研究，得到以下主要結論：

（1）多艙防護結構在水下接觸爆炸條件下，總吸能約占作用到結構總能量的80%；

（2）多艙防護結構在水下接觸爆炸條件下，當藥量超過一定量時，近結構和遠結構吸能比例趨于穩定，約為4:1；

（3）多艙防護結構的膨脹艙外板、內壁和吸收艙內壁分別增加同等厚度時，舷側防護結構的抗水下接觸爆炸能力的提升比例約為：1:2.5:3；

（4）從陸上和水下對比試驗結果來看，水下爆炸氣泡對多艙防護結構的作用可忽略；

（5）水下接觸爆炸載荷作用下，多艙防護結構膨脹艙內有、無隔板時，膨脹艙破壞模式不同：有隔板時膨脹艙的破壞貫穿外板和膨脹艙內壁，無隔板時，膨脹艙外板破壞到一定程度后，膨脹艙內壁才開始破壞。

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