水下接觸爆炸對艦船殼板的毀傷試驗效果估算方法評估

陳海龍，周 姝，孫 豐，王 喆

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001;2.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

艦船在作戰(zhàn)或執(zhí)行任務(wù)過程中可能面臨水下武器的近距離甚至接觸爆炸攻擊。區(qū)別于水下非接觸爆炸［1－2］，艦船水下接觸爆炸的定義還沒有量化的標準。從直觀上看，當攻擊武器爆炸距離為0，即直接撞擊到艦船殼板上起爆，顯然應(yīng)該定義為接觸爆炸。然而，從艦船接觸爆炸結(jié)構(gòu)破壞機理以及接觸爆炸與近場非接觸爆炸的殼板響應(yīng)物理過程來看，在一定藥量下，使艦船外板產(chǎn)生破口和沿破口的塑性變形區(qū)域，涌流、破片等爆轟產(chǎn)物同時對艦船內(nèi)部產(chǎn)生破壞的爆炸工況定義為接觸爆炸，更加符合工程估算的意義。

艦船在遭受到接觸爆炸攻擊后，船體外板將產(chǎn)生破口及沿破口一定范圍的凹陷及裂紋區(qū)［3－4］，局部毀傷效應(yīng)比較明顯。接觸爆炸作用下艦船的生命力損失也直接源于爆炸位置所形成的破損區(qū)域。因此，艦船外舷在接觸爆炸作用下的破損區(qū)域大小成為研究艦船接觸爆炸損傷環(huán)境的首要問題［5－7］。如何在給定艦船外板及其加強筋的基本屬性參數(shù)后，快速估算出不同水下接觸爆炸工況下的破損區(qū)域尺寸，給出一個合理的工程化預(yù)報參考值，對于艦船結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計有重要意義。

目前，對于艦船殼板在水下接觸爆炸作用下破損尺寸的快速估算方法主要是基于經(jīng)驗公式。艦船接觸爆炸經(jīng)驗公式是國內(nèi)外學(xué)者利用海戰(zhàn)破損艦船接觸爆炸結(jié)構(gòu)破壞數(shù)據(jù)、板架及艙段接觸爆炸試驗等手段，將大量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析得出的估算艦船在武器接觸爆炸攻擊下的結(jié)構(gòu)破壞范圍的代數(shù)計算式。該公式能夠根據(jù)艦船被攻擊部位的板、梁屬性參數(shù)，以及攻擊武器的藥量、爆炸方位等快速給出其破壞區(qū)域尺寸，使用范圍較廣，對不同噸位、船型的艦船都具有普遍適用性。然而，對于不同學(xué)者所提出的各類接觸爆炸經(jīng)驗公式，缺乏統(tǒng)一的使用標準，對其精度的好壞以及適用范圍也沒有詳細的評價，導(dǎo)致使用不同經(jīng)驗公式的估算得到的結(jié)果及精度出入較大。為此，本文在廣泛調(diào)研國內(nèi)外水下接觸爆炸對艦船殼板毀傷經(jīng)驗估算公式的基礎(chǔ)上，對各經(jīng)驗公式的使用特點進行分類，提出破損半徑的概念以區(qū)別破口半徑，通過數(shù)值計算與經(jīng)驗公式估算相結(jié)合的手段對某雙殼艦船典型艙段進行算例分析，總結(jié)出水下接觸爆炸艦船殼板損傷各估算經(jīng)驗公式的適用性，為艦船結(jié)構(gòu)相關(guān)估算工作提出一種既滿足精度又滿足速度的估算方法。

1 艦船水下接觸爆炸經(jīng)驗公式估算方法

1.1 破口半徑與破損半徑

大量試驗及計算結(jié)果表明，艦船板架在遭受水下接觸爆炸作用后，結(jié)構(gòu)由于遭受到高壓熱剪切破壞而會產(chǎn)生破口，伴隨著爆轟波的繼續(xù)傳播，殼板結(jié)構(gòu)會沿破口形成開裂、凹陷、裂紋等塑性響應(yīng)。從已有接觸爆炸經(jīng)驗公式來看，大部分經(jīng)驗公式提出了計算外板在接觸爆炸作用下的破壞范圍，沒有明確破口與破損的概念。而在計算艦船抗水下接觸爆炸生命力指標時，區(qū)分破損范圍與破口尺寸有重要意義。例如在計算艦船接觸爆炸作用下的剖面彎矩時，需要對失效構(gòu)件進行折減，此時需要得到連同破口、凹陷、塑性變形區(qū)的范圍參數(shù);在計算艦船不沉性指標時，需要了解艦船破艙進水的個數(shù)，此時用到的參數(shù)即為破口尺寸。

因此，本文提出艦船水下接觸爆炸破損半徑以及破口半徑的概念。破損半徑Rd是指艦船在遭受水下武器接觸爆炸攻擊后船體出現(xiàn)的破口及裂紋、凹陷等有明顯破壞區(qū)域的半徑;而板架結(jié)構(gòu)在高壓破壞下產(chǎn)生的破口大小用破口半徑Rb衡量 (見圖1)。

圖1 破損半徑Rd與破口半徑Rb的概念Fig.1 Concept of damaged radius and crevasse radius

1.2 破口半徑工程估算方法

1)吉田隆破口半徑經(jīng)驗公式

由于船舶結(jié)構(gòu)遭受水下接觸爆炸作用的破口大小和形狀與爆炸點位置、戰(zhàn)斗部類型、船舶結(jié)構(gòu)形式和材料等多種因素有關(guān)，要精確計算出水下接觸爆炸船體結(jié)構(gòu)的破口大小很困難。吉田隆對二戰(zhàn)期間日本艦船的破壞情況進行總結(jié)，得出艦船殼板在水下接觸爆炸條件下破口半徑的經(jīng)驗公式［8］:

式中:a為結(jié)構(gòu)特征系數(shù)，對于空中接觸爆炸取a=0.62，對于水下接觸爆炸a=1;W為藥包等效TNT當量;δ為外板相當板厚，mm。

2)修正的吉田隆破口半徑經(jīng)驗公式

吉田隆公式中僅考慮了炸藥量和板厚而未考慮加強筋大小的影響，對于艦船結(jié)構(gòu)中的加筋板結(jié)構(gòu)破口半徑預(yù)測會有較大偏差。為此，朱錫等通過對船體板架結(jié)構(gòu)模型進行水下接觸爆炸試驗，分析加強筋對破口范圍的影響，給出了考慮加強筋影響的水下接觸爆炸破口估算修正經(jīng)驗公式［9］:

式中:W為裝藥的TNT當量，kg;δ為板架結(jié)構(gòu)的相當板厚，mm;T為加強筋相對剛度，m3;定義式為

其中IZ(IH)和bZ(bH)分別為縱 (橫)向加強筋在板架彎曲方向的剖面慣性矩和加強筋間距。

1.3 破損半徑工程估算方法

1)魚雷水下接觸爆炸破損半徑經(jīng)驗公式

現(xiàn)代海戰(zhàn)中，魚雷是艦船遭受水下接觸爆炸的主要威脅。魚雷水下接觸爆炸對艦船的破壞情況有:艦首接觸爆炸而導(dǎo)致首斷;尾部接觸爆炸而導(dǎo)致尾斷;中部接觸爆炸使船體產(chǎn)生較大的破口，同時使殼板發(fā)生大面積裂變縫和變形。國內(nèi)學(xué)者基于魚雷的作戰(zhàn)效能提出:艦船的破壞情況通常是外舷上的破口呈橢圓形，其長軸沿水平方向，在破口周圍有裂縫和凹陷，相應(yīng)的破損半徑可由下面經(jīng)驗公式計算［10］:

式中:G為魚雷裝藥的TNT當量，kg;δ為艦船殼體鋼板相當厚度，cm;K為經(jīng)驗系數(shù)，當計算對艦船實際破損區(qū)域?qū)挾葧r取1.10。

2)計及爆點水深的破損半徑估算經(jīng)驗公式

在計算水下接觸爆炸艦船破損半徑的經(jīng)驗公式中，爆炸水深參數(shù)也將對計算結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，相關(guān)文獻對于普通裝藥武器水中對艦船的破損半徑Rd給出如下公式［11］:

式中:P0=0.103(1+0.1H)為爆心處靜水絕對壓力，MPa;H為爆心處水深，m。

2 典型艙段估算實例分析

為了對水下接觸爆炸艦船殼板破損估算方法的說明與分析，本文選取某雙殼體艦船的典型艙段，基于艙段外板及其加強筋的典型屬性參數(shù)，選取典型攻擊藥量，設(shè)置不同工況對該艙段在水下接觸爆炸作用下的破口半徑和破損半徑進行估算實例分析，最后對該艙段進行實體建模及數(shù)值仿真計算，對比結(jié)算結(jié)果對估算方法進行評估與分析。

2.1 計算模型及相關(guān)參數(shù)

選取典型艙段模型及橫剖，如圖2所示。該艙段長32 m，寬30 m，取其外板板厚h=18 mm，外板縱骨底部加強筋個數(shù)n1=18，間距0.75 m;舷側(cè)縱骨加強筋個數(shù)n2=20，間距0.65 m。底部縱骨為與舷側(cè)縱骨為不同尺寸的角鋼，其具體參數(shù)見表1。

圖2 估算艙段計算模型及橫剖面圖Fig.2 Estimation cabin mode and typical cross profile

接觸爆炸攻擊藥量W選取某典型重型魚雷戰(zhàn)斗部裝藥量，其等效的TNT當量為425 kg。底部和舷側(cè)的相當板厚δ可按照下式計算:

式中:n為加強筋個數(shù);h為實際板厚，mm;l為船長，m。

表1 縱骨加強筋計算參數(shù)Tab.1 Calculation parameter of longitudinal bone stiffener

2.2 計算工況

選取底部和舷側(cè)2種水下接觸爆炸工況進行估算，具體設(shè)置參數(shù)見表2，相應(yīng)工況設(shè)置見圖4。

表2 水下接觸爆炸工況參數(shù)Tab.2 Parameter of underwater contact explosion condition

圖3 接觸爆炸工況設(shè)置示意圖Fig.3 Schematic diagram of contact explosion condition

為更全面地考核與分析經(jīng)驗公式估算方法的計算結(jié)果，本文采用LS－DYNA中的ALE算法對估算艙段進行同工況下的仿真計算。結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性區(qū)可采用屈服應(yīng)力判斷準則，已知結(jié)構(gòu)材料屈服應(yīng)力σs的情況下，考慮動態(tài)應(yīng)變率的影響，由Cowper-Symonds強化模型，可得到任意時刻動態(tài)屈服應(yīng)力σs，當應(yīng)力大于σs時，則可認為結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性區(qū)。

結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破口與否與有效塑性應(yīng)變密切相關(guān)，不同材料的有效塑性應(yīng)變是不同的，當材料產(chǎn)生的應(yīng)變大于材料有效塑性應(yīng)變時，材料開始產(chǎn)生斷裂，即結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破口。對于船用鋼材，通常取有效塑性應(yīng)變?yōu)?.28，0.25，0.22等，偏于安全考慮，選取有效塑性應(yīng)變?yōu)?.22，即若結(jié)構(gòu)有效塑性應(yīng)變大于0.22，則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破口。

2.3 計算結(jié)果分析

在得到典型艙段的板梁基本參數(shù)以及計算工況后，可利用上述經(jīng)驗公式對其在水下接觸爆炸作用下外板的破損半徑Rd及破口半徑Rb進行估算，圖4為各工況下典型艙段的應(yīng)變響應(yīng)云圖。

圖4 各工況應(yīng)變響應(yīng)云圖Fig.4 The strain response of cloud conditions

表3和表4分別為各計算工況破損半徑Rd及破口半徑Rb的仿真計算值與經(jīng)驗公式估算值的對比及誤差分析。

表3 水下接觸爆炸艙段破口半徑Rb估算結(jié)果Tab.3 Estimation results of cabin crevasse radius subjected to underwater contact explosion

表4 水下接觸爆炸艙段破損半徑Rd估算結(jié)果Tab.4 Estimation results of cabin damaged radius subjected to underwater contact explosion

從表3和表4可看出，所考核機艙艙段不論是底部還是舷側(cè)的破口半徑Rb及破損半徑Rd，各計算工況下仿真計算值與經(jīng)驗公式估算值相對誤差基本控制在20%以內(nèi)，計算結(jié)果吻合度較好。

從表3計算結(jié)果可以看出，在計算水下接觸爆炸結(jié)構(gòu)的破口半徑Rb時，數(shù)值計算值同時小于吉田隆經(jīng)驗公式和修正破口經(jīng)驗公式的估算值，這是由于在用經(jīng)驗公式估算時，外板抗接觸爆炸的加筋影響只考慮了縱骨，而仿真計算則是橫向構(gòu)件和縱骨共同作用的結(jié)果，因此計算出的破口半徑小于經(jīng)驗公式估算值。此外，從相對誤差分析可以看出，修正的破口估算經(jīng)驗公式充分考慮了加強筋對破口尺寸的影響，精度要好于吉田隆破口估算經(jīng)驗公式。

從表4計算結(jié)果可以看出，在計算水下接觸爆炸結(jié)構(gòu)的破損半徑Rd時，數(shù)值計算值恰好處于計及水深破損半徑估算經(jīng)驗公式和魚雷水下接觸爆炸破損半徑估算經(jīng)驗公式的估算值之間，計算結(jié)果較好吻合。從相對誤差來看，魚雷水下接觸爆炸破損半徑估算經(jīng)驗公式的估算精度顯然更高，這是因為該公式同時考慮藥量、板厚以及經(jīng)驗系數(shù)對破損區(qū)域的影響，而計及水深破損半徑估算經(jīng)驗公式只考慮爆點水深，沒有板厚參數(shù)的影響，精度相對較低。

3 結(jié)語

本文在國內(nèi)外水下接觸爆炸對艦船外板的損傷范圍估算經(jīng)驗公式的基礎(chǔ)上，選取某雙殼體艦船的典型艙段為估算對象，分別設(shè)置底部和舷側(cè)2種水下接觸爆炸計算工況，利用經(jīng)驗公式法對其進行估算，最后利用數(shù)值計算的手段求解出同工況下艙段水下接觸爆炸的外板破口及破損響應(yīng)，將測得的破損半徑與破口半徑與對應(yīng)經(jīng)驗公式估算值進行對比分析，得出如下結(jié)論:

1)提出艦船外板在水下接觸爆炸作用下破口半徑與破損半徑的概念，并且針對2種半徑，各自給出不同的接觸爆炸經(jīng)驗公式估算方法，該方法可作為相關(guān)的工程計算的參考依據(jù)。

2)從數(shù)值計算結(jié)果與經(jīng)驗公式估算結(jié)果對比分析可以看出，所考核艙段不論是底部還是舷側(cè)的破口半徑Rb及破損半徑Rd，各計算工況下仿真計算值與經(jīng)驗公式估算值相對誤差基本控制在20%以內(nèi)，計算結(jié)果吻合度良好。

3)計算結(jié)果表明，修正的吉田隆破口估算經(jīng)驗公式充分考慮了加強筋對破口尺寸的影響，估算精度要好于吉田隆破口估算經(jīng)驗公式。

4)通過對比分析可知在計算水下接觸爆炸結(jié)構(gòu)的破損半徑Rd時，魚雷水下接觸爆炸破損半徑估算經(jīng)驗公式的估算精度顯然更高，這是因為該公式同時考慮藥量、板厚以及經(jīng)驗系數(shù)對破損區(qū)域的影響，而計及水深破損半徑估算經(jīng)驗公式只考慮爆點水深，沒有板厚參數(shù)的影響，精度相對較低。

［1］張阿漫，王詩平，白兆宏，等.不同環(huán)境下氣泡脈動特性實驗研究［J］.力學(xué)學(xué)報，2011，43(1):71 －83.ZHANG A-man，WANG Shi-ping，BAI Zhao-hong，et al.Experimental study on bubble pulse features under different circumstances［J］.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics，2011，43(1):71 －83.

［2］張阿漫，姚熊亮.近自由面水下爆炸氣泡的運動規(guī)律研究［J］.物理學(xué)報，2008，57(1):339 －353.ZHANG A-man，YAO Xiong-liang.Thelaw ofthe underwater explosion bubble motion near free surface［J］.Acta Physica Sinica，2008，57(1):339 －353.

［3］RAJENDRAN R，NARASIMHAN K.Damage prediction of clamped circular plates subjected to contact underwater explosion［J］.International Journal of Impact Engineering，2001(25):373－386.

［4］張倫平，張曉陽，潘建強，等.多艙防護結(jié)構(gòu)水下接觸爆炸吸能研究［J］.船舶力學(xué)，2011(8):911－928.ZHANG Lun-ping，ZHANG Xiao-yang，PAN Jian-qiang，et al.Energy research about multicamerate defence structure subjected to underwater contact explosion［J］.Journal of Ship Mechanics，2011(8):911－928.

［5］AMINI M R，SIMON J，NEMAT-NASSER S.Numerical modeling of effect of polyurea on response of steel plates to impulsive loads in direct pressure-pulse experiments［J］.Mechanics of Materials，2010，42:615 －627.

［6］LEE J，SMITH M，HUANG J，PAULGAARD G.Deformation and rupture of thin steel plates due to cumulative loading from underwater shock and bubble collapse［R］.Presented at the 79th SAVIAC，Orlando，F(xiàn)L，2008.

［7］施興華，張婧，王善.接觸爆炸載荷作用下單層薄板臨界破壞分析［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報，2009，33(2):238－241.SHI Xing-hua，ZHANG Jing，WANG Shan.Critical damage of thin plate under contact explosion loading［J］.Journal of Nanjing University of Science and Technology，2009，33(2):238－241.

［8］吉田隆.二次世界大戰(zhàn)初期日本海軍艦船在炸彈攻擊下的損傷實例分析［J］.船の科學(xué)，1990(5):70－81.Yoshida.Damage case analysis of Japanese navy ships subjected to bomb attack in the early of the second world war.Ship Science，1990(5):70 －81.

［9］朱錫，白雪飛，黃若波，等.船體板架在水下接觸爆炸作用下的破口試驗［J］.中國造船，2003，44(1):46 －52.ZHU Xi，BAI Xue-fei，HUANG Ruo-bo，et al.Crevasse experiment research of plate membrance in vessels subjected to underwater contact explosion［J］.Shipbuilding of China，2003，44(1):46 －52.

［10］孟慶玉，張靜遠.魚雷作戰(zhàn)效能分析［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2003.MENG Qing-yu，ZHANG Jing-yuan.Analysis of torpedo operational effectiveness［M］.Beijing:Defense Industry Press，2003.

［11］浦金云，邱金水.艦船生命力［M］.北京:海潮出版社，2006.PU Jin-yun，QIU Jin-shui.Warship survivability［M］.Beijing:Ocean Tidal Press，2006.