沖擊毀傷載荷作用下新型艦船艙壁結(jié)構(gòu)型式研究

尹 群，李 舒，王 珂

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

沖擊毀傷載荷作用下新型艦船艙壁結(jié)構(gòu)型式研究

尹 群，李 舒，王 珂

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

本文對(duì)高速破片與沖擊波載荷聯(lián)合作用下典型艦船艙壁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究。基于結(jié)構(gòu)吸能和破片平均剩余速度的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比分析 3 種新型夾芯板雙層艙壁（I 型、X 型、V 型）抗沖擊毀傷特性。研究結(jié)果表明，在相同高速破片與沖擊波載荷聯(lián)合作用下，破片穿透 V 型夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)的平均剩余速度最小，并且 V 型夾芯板結(jié)構(gòu)吸能最多；3 種新型夾芯板艙壁結(jié)構(gòu)抗沖擊性能均強(qiáng)于典型單層艙壁結(jié)構(gòu)。

聯(lián)合作用；雙層艙壁；動(dòng)態(tài)響應(yīng)；新型結(jié)構(gòu)

0 引 言

艦船作為現(xiàn)代海戰(zhàn)中最重要的載體同時(shí)也是最容易受到攻擊的對(duì)象，其生命力的提升是每個(gè)國(guó)家都需要研究的。在船體結(jié)構(gòu)中，艙壁結(jié)構(gòu)的作用十分關(guān)鍵，作為保護(hù)艙內(nèi)重要的設(shè)備以及相關(guān)人員的人身安全的最后一道也是十分重要的屏障，其作用的重要性不言而喻。因此，對(duì)艙壁結(jié)構(gòu)的沖擊毀傷性能的研究具有非常重要的意義。

為了加強(qiáng)艦船艙壁的抗沖擊毀傷性能，許多國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者都對(duì)艙壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。基于沖擊毀傷載荷中沖擊波與高速破片的初始速度和衰減速率不同，大多數(shù)的研究主要是將毀傷載荷解耦成沖擊波載荷的破壞和高速破片穿甲破壞分別研究。但近年來(lái)，人們逐漸意識(shí)到兩者聯(lián)合作用對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞具有疊加增強(qiáng)的效應(yīng)。

因此，本文針對(duì)傳統(tǒng)的單層艙壁結(jié)構(gòu)并結(jié)合幾種夾芯板結(jié)構(gòu)艙壁，研究不同艙壁結(jié)構(gòu)型式在沖擊波與破片聯(lián)合作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，從而為艦船艙壁結(jié)構(gòu)的抗沖擊毀傷性能提供參考，為船體艙壁結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)化提供依據(jù)。

1 艙壁結(jié)構(gòu)的抗沖擊毀傷性能的評(píng)判參數(shù)

為研究各種類型艙壁的抗沖擊性能，需要一些參數(shù)作為評(píng)判的依據(jù)，本文選取結(jié)構(gòu)吸能與破片平均剩余速度為評(píng)判參數(shù)。

1.1 艙壁結(jié)構(gòu)的吸能

在沖擊毀傷載荷作用下，艙壁結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生塑性變形以吸收破片動(dòng)能和沖擊波能量，即通過(guò)結(jié)構(gòu)吸能來(lái)判斷該結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的優(yōu)劣，從而達(dá)到保護(hù)艦船其他設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)的作用。

1.2 破片平均剩余速度

沖擊毀傷載荷中破片具有非常高的初始速度，當(dāng)破片穿過(guò)艙壁結(jié)構(gòu)之后，如果其速度并沒有減少很多而仍然維持在一個(gè)較高的速度，那么就會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)后面的設(shè)備或結(jié)構(gòu)造成損傷，對(duì)艦船的生命力仍然具有較大威脅。因此，較優(yōu)的艙壁結(jié)構(gòu)型式應(yīng)該能夠使破片的剩余速度盡量的小，以降低破片對(duì)艦船重要部分的毀傷特性。

除了以上兩點(diǎn)，夾芯板艙壁結(jié)構(gòu)還應(yīng)該具有重量適當(dāng)、成本合理、工藝可行且構(gòu)件加工方便等經(jīng)濟(jì)性和工藝性的特點(diǎn)。

2 沖擊毀傷過(guò)程數(shù)值模擬

2.1 材料模型

為了準(zhǔn)確地對(duì)破片和沖擊波聯(lián)合作用下幾種新型夾芯板艙壁結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，數(shù)值模擬研究中材料模型類型和參數(shù)對(duì)數(shù)值仿真結(jié)果有較大影響。因此，艙壁材料選取 945 鋼，艙壁厚度為4 mm，采用彈塑性（DMAT/DMATEP）本構(gòu)模型，材料參數(shù)如表 1 所示。TNT 炸藥采用高能密度空氣模擬，密度為 1 600 kg/m3，比內(nèi)能為 4.19 GJ/m3。

表1 破片和艙壁材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of fragment and bulkhead

2.2 仿真模型

在艙壁結(jié)構(gòu)抗沖擊性能數(shù)值模擬研究中，整體有限元計(jì)算模型：長(zhǎng)為 9 m，寬為 8 m，高為 7.6 m；模型垂向上分為 3 個(gè)艙室，自下而上每個(gè)艙室高度分別為 2.35 m，2.45 m，2.8 m；其中中間艙室為炸藥所在艙室；根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)在每層甲板和舷側(cè)結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)相應(yīng)加強(qiáng)筋。整體有限元模型如圖 1 所示。

因?yàn)橐紤]到高速破片和沖擊波聯(lián)合作用，為準(zhǔn)確地模擬破片的侵徹問(wèn)題，在高速破片的侵徹區(qū)域結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，艙壁結(jié)構(gòu)細(xì)化區(qū)域和大小如圖 2所示。

選取炸藥量為 150 kg 的球形 TNT 炸藥，炸藥位置距離雙層艙壁 1.75 m。炸藥外部的戰(zhàn)斗部殼體厚度為25 mm。因?yàn)橐M戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)飛散過(guò)程，所以需要對(duì)導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部每對(duì)相鄰節(jié)點(diǎn)設(shè)置綁定和分離應(yīng)變，同時(shí)給戰(zhàn)斗部表面單元施加外法線方向的壓力或者給單元上的節(jié)點(diǎn)直接予以初速度。采用施加壓力的方法，根據(jù)文獻(xiàn)[6]施加單元上壓力計(jì)算公式為：

式中：ρω為炸藥密度， ρω= 1 590 kg/m3；Dω為炸藥爆速，Dω= 1 590 m/s；γ 為炸藥的絕熱指數(shù)， γ = 3。而殼體內(nèi)部壓力為：

式中：r0為殼體的初始半徑；r 為殼體在膨脹過(guò)程中的瞬時(shí)內(nèi)的半徑。對(duì)于球形殼體，μ = 2。

與裸炸炸藥相比，實(shí)際上戰(zhàn)斗部爆炸后一部分炸藥釋放出來(lái)的能量消耗在殼體變形、破碎以及飛散，另一部分能量用于爆炸產(chǎn)物的膨脹和形成空氣沖擊波。因此，裝殼炸藥與裸炸相比，最后形成的空氣沖擊波的超壓值和比沖量都會(huì)減少。因此在聯(lián)合作用仿真時(shí)根據(jù)能量守恒可知質(zhì)裝藥量為 W 的炸藥所釋放出來(lái)的總能量用于爆炸產(chǎn)物的內(nèi)能和動(dòng)能的增加，破片的飛散動(dòng)能，即

式中：QW為炸藥爆能；mp為殼體質(zhì)量；a，b 為形狀系數(shù)；對(duì)于球形裝藥分別為 2/3，3。μp為殼體膨脹速度。將式（4）、式（5）和式（6）代入式（3）可整理出 μp的表達(dá)式

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

2.3.1 艙壁結(jié)構(gòu)破壞模式

圖 3 為沖擊波和侵徹聯(lián)合作用下不同時(shí)刻艙壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖。由圖可得，0.000 8 s 時(shí)沖擊波已經(jīng)到達(dá)艙壁結(jié)構(gòu)，距離爆心最近的艙壁板中心首先出現(xiàn)響應(yīng)并逐漸向四周傳遞；0.001 s 時(shí)破片侵徹艙壁產(chǎn)生破口，結(jié)構(gòu)破口周圍出現(xiàn)較大應(yīng)力，此時(shí)沖擊波作用范圍加大；之后沖擊波在艙內(nèi)發(fā)射和折射又重新匯聚成沖擊波作用在艙壁結(jié)構(gòu)上而導(dǎo)致破口被撕拉，破口形狀大小均發(fā)生改變；聯(lián)合作用下艙壁結(jié)構(gòu)較大應(yīng)力出現(xiàn)在艙壁破口、艙壁與甲板或舷側(cè)接觸處。

2.3.2 應(yīng)力

本文重點(diǎn)研究了沖擊波和破片聯(lián)合作用下的艙壁結(jié)構(gòu)響應(yīng)，因此在研究結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化特征時(shí)選取能較好體現(xiàn)聯(lián)合作用效果的區(qū)域?yàn)檠芯磕繕?biāo)，同時(shí)又考慮到高速破片侵徹具有很強(qiáng)的局部性，因此選取破口邊緣處節(jié)點(diǎn)研究應(yīng)力變化的特征。

圖4 為破口邊緣處節(jié)點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線。由圖可知，初始時(shí)刻沖擊波和破片均沒有到達(dá)艙壁結(jié)構(gòu)，即艙壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力為 0；隨著沖擊波載荷傳播，艙壁結(jié)構(gòu)前方空氣受擠壓作用，使艙壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力緩慢上升；0.000 7 s 時(shí)，沖擊波到達(dá)艙壁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力迅速增加；0.001 s 時(shí)，破片侵徹艙壁結(jié)構(gòu)，艙壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力又再次上升，之后沖擊波在艙室內(nèi)反射和折射重新匯聚成新的沖擊波再次作用到艙壁結(jié)構(gòu)，對(duì)破口造成撕拉，使艙壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力出現(xiàn)上下震蕩。

2.3.3 變形

圖 5 為艙壁板破口邊緣處節(jié)點(diǎn)位移隨時(shí)間變化曲線圖。由圖可得，在初始階段，沖擊波擠壓艙壁結(jié)構(gòu)前的空氣，導(dǎo)致艙壁結(jié)構(gòu)位移開始出現(xiàn)微小變化；當(dāng)沖擊波到達(dá)艙壁結(jié)構(gòu)，艙壁結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生變形，隨后破片侵徹艙壁結(jié)構(gòu)，位移會(huì)再次迅速增大，之后回落；隨著沖擊波在艙內(nèi)的反射作用重新形成新的沖擊波作用到艙壁結(jié)構(gòu)上，引起艙壁結(jié)構(gòu)位移變化，在沖擊波完全傳播過(guò)結(jié)構(gòu)后，位移會(huì)回落并最終趨于穩(wěn)定。

2.3.4 破片平均剩余速度

圖 6 為聯(lián)合作用下破片平均剩余速度隨時(shí)間變化曲線。每當(dāng)有破片侵徹艙壁結(jié)構(gòu)時(shí)破片總動(dòng)能就會(huì)下降，而破片總質(zhì)量不變，所以破片總動(dòng)能只與破片平均剩余速度有關(guān)。由于破片是逐漸作用到艙壁結(jié)構(gòu)上，因此破片平均剩余速度就會(huì)逐漸下降；當(dāng)所有破片穿透結(jié)構(gòu)之后，最終破片平均剩余速度保持不變，即為 987 m/s。

2.3.5 吸能

圖 7 為艦船艙壁各結(jié)構(gòu)吸能隨時(shí)間變化曲線。由圖可知，在初始階段由于破片和沖擊波均沒有作用到艙壁結(jié)構(gòu)，艙壁結(jié)構(gòu)吸能幾乎一直為 0；隨著沖擊波傳播，艙壁結(jié)構(gòu)前空氣受到擠壓而使艙壁吸能開始緩慢增加；0.000 7 s 時(shí)，沖擊波到達(dá)艙壁結(jié)構(gòu)，艙壁結(jié)構(gòu)吸能迅速增加，0.001 s 時(shí)開始有破片侵徹艙壁結(jié)構(gòu)，艙壁結(jié)構(gòu)吸能再次迅速上升，由于眾多破片作用時(shí)間不同，吸能會(huì)在侵徹作用時(shí)間內(nèi)不斷上升；沖擊波和破片載荷聯(lián)合作用后，艙壁結(jié)構(gòu)各構(gòu)件吸能最終趨于平穩(wěn)。對(duì)比圖中曲線可知，艙壁板吸能為 1.86 MJ，占總吸能的 65.2%，為主要吸能構(gòu)件。而艙壁結(jié)構(gòu)型材吸能為 0.99 MJ，占總吸能的 34.8%，為次要吸能構(gòu)件。

3 夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)抗沖擊性能研究

3.1 艙壁結(jié)構(gòu)有限元模型

目前，夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)抗沖擊性能已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)研究問(wèn)題，本文在保持艙壁結(jié)構(gòu)總質(zhì)量不變的基礎(chǔ)上，對(duì)不同型式夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能進(jìn)行對(duì)比研究。3 種夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)有限元圖如圖 8 所示。

圖8 夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)型式

Fig.8 The structure form of sandwich

圖 8 中有限元計(jì)算模型中夾芯雙層艙壁前后面板厚度均為 4 mm，間距為 0.25 m，為了滿足夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)與典型艦船艙壁結(jié)構(gòu)質(zhì)量相等，3 種夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)中夾芯厚度不同，如表 2 所示。

表2 夾芯厚度表Tab.2 The thickness of the sandwich

3.2 艙壁結(jié)構(gòu)吸能比較分析

圖 9 為 3 種不同型式夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)的吸能-時(shí)間曲線。由圖可知，3 條曲線的變化趨勢(shì)大體上一致。在初始時(shí)刻，由于破片和沖擊波均沒有作用到艙壁結(jié)構(gòu)，艙壁結(jié)構(gòu)吸能很小；0.000 7 s 時(shí)沖擊波作用到結(jié)構(gòu)上，夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)開始快速上升；0.001 s時(shí)開始有破片侵徹作用到艙壁結(jié)構(gòu)，3 種夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)吸能再次迅速上升，其上升幅度與該時(shí)刻下作用在艙壁結(jié)構(gòu)的破片數(shù)量及其方向有關(guān)；此后由于沖擊波在艙室內(nèi)部的反射作用重新匯聚成新的沖擊波作用在艙壁結(jié)構(gòu)上，夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)吸能再度上升；當(dāng)沖擊波和破片作用結(jié)束后，夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)吸能趨于穩(wěn)定不再變化。由圖中 3 種夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)吸能曲線可知，V 型雙層艙壁的結(jié)構(gòu)吸能最多，而I型和X型夾芯板雙層艙壁的結(jié)構(gòu)吸能相對(duì)小一些，但均大于單層艙壁結(jié)構(gòu)下的結(jié)構(gòu)吸能，各種艙壁結(jié)構(gòu)吸能值列于表 3 中。

表3 艙壁結(jié)構(gòu)吸能Tab.3 Bulkhead energy absorption

3.3 破片平均剩余速度比較分析

圖 10 為 3 種不同型式夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)破片平均剩余速度時(shí)間歷程曲線。由圖可知，3 條曲線的變化趨勢(shì)一致。在初始時(shí)刻，炸藥爆轟波驅(qū)動(dòng)破片獲得初始速度；破片沒有作用到艙壁結(jié)構(gòu)之前，破片平均剩余速度保持不變；當(dāng)破片作用到艙壁結(jié)構(gòu)時(shí)，破片平均剩余速度下降，下降幅度與該時(shí)刻下作用在艙壁結(jié)構(gòu)的破片數(shù)量及其方向有關(guān)。破片全部穿透過(guò)艙壁結(jié)構(gòu)后，破片剩余速度保持恒定；對(duì)比圖中 3 種夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)破片平均剩余速度曲線可知，V 型雙層艙壁下破片平均剩余速度最小，而 X 型和 I 型雙層艙壁下破片的平均剩余速度稍微大一些，但均小于單層艙壁結(jié)構(gòu)下破片平均剩余速度，各種艙壁結(jié)構(gòu)下破片剩余速度列于表 4 中。速度均小于破片穿透典型艦船單層艙壁結(jié)構(gòu)的平均剩余速度。3 種夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)下，V 型夾芯板的剩余速度最小，為 925 m/s，X 型和 I 型分別為 957 m/s，974 m/s。

表4 夾芯板厚度表Tab.4 The thickness of the sandwich

4）綜合考慮，V 型夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)的破片平均剩余速度最小、結(jié)構(gòu)吸能最大，可以得出沖擊波和破片聯(lián)合作用下 V 型夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能最優(yōu)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)高速破片和沖擊波載荷聯(lián)合作用下，艙壁結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能進(jìn)行了數(shù)值仿真研究；對(duì) 3 種夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)（I 型、X 型、V 型）在高速破片和沖擊波載荷聯(lián)合作用下的抗沖擊性能進(jìn)行數(shù)值模擬研究，從而得到抗沖擊性能最優(yōu)的艙壁結(jié)構(gòu)型式。通過(guò)本文研究得到了以下結(jié)論：

1）在高速破片與沖擊波載荷聯(lián)合作用在艙壁結(jié)構(gòu)上時(shí)，在載荷未傳遞到結(jié)構(gòu)時(shí)艙壁結(jié)構(gòu)的僅受到空氣擠壓而只產(chǎn)生很微小的響應(yīng)，沖擊波傳播作用到結(jié)構(gòu)上引起結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，此后破片作用到艙壁結(jié)構(gòu)上時(shí)，毀傷艙壁結(jié)構(gòu)造成破口，而沖擊波在艙內(nèi)的反射和折射作用重新匯聚產(chǎn)生沖擊波對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生二次損傷，尤其在破口處造成撕拉導(dǎo)致破口形狀大小均發(fā)生變化；

2）針對(duì) 3 種夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)吸能，3 種夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)吸能均大于艦船典型單層艙壁結(jié)構(gòu)的吸能。其中 V 型夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)是單層艙壁結(jié)構(gòu)的吸能 2 倍，I 型和 X 夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)的吸能比單層艙壁結(jié)構(gòu)吸能分別增加 30% 和 38%；

3）破片穿透 3 種夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)的平均剩余

[1]孔祥韶, 吳衛(wèi)國(guó), 杜志鵬, 等. 圓柱形戰(zhàn)斗部爆炸破片特性研究[J]. 工程力學(xué), 2014(1): 243-249.

[2]劉剛. 破片和沖擊波對(duì)直升機(jī)結(jié)構(gòu)聯(lián)合作用的數(shù)值模擬研究[D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2013.

[3]段新峰, 程遠(yuǎn)勝, 張攀, 等. 沖擊波和破片聯(lián)合作用下I型夾層板毀傷仿真[J]. 中國(guó)艦船研究, 2015, 10(6): 45-59.

[4]ALSOS H S, AMDAHL J, HOPPERSTAD O S. On the resistance to penetration of stiffened plates, part II: numerical analysis[J]. International Journal of Impact Engineering, 2009(36): 875–887.

[5]GOLDSMITH W. In metal forming and impact mechanics[J]. Pergamon Press, 1985: 271–287.

[6]WERBUCH J A, BODNER S R. Analysis of the mechanics of perforation of projectiles in metallic plates[J]. Int. J. Solids Struct, 1974, 10(1): 671–684.

[7]李茂, 朱錫, 侯海量, 等. 沖擊波和高速破片對(duì)固支方板的聯(lián)合作用數(shù)值模擬[J]. 中國(guó)艦船研究, 2015, 10(6): 60–67.

[8]侯海量, 張成亮, 李茂, 等. 沖擊波和高速破片聯(lián)合作用下夾芯復(fù)合艙壁結(jié)構(gòu)的毀傷特性[J]. 爆炸與沖擊, 2015, 35(1): 116-123.

[9]侯海量, 朱錫, 李偉, 等. 爆炸沖擊波和高速破片聯(lián)合作用下艙室結(jié)構(gòu)破壞模式試驗(yàn)研究[C]//中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)海洋鋼結(jié)構(gòu)分會(huì)2010年學(xué)術(shù)會(huì)議暨第六屆理事會(huì)第三次會(huì)議論文集, 2010.

Research on new ship bulkhead structure under impact damage load

YIN Qun, LI Shu, WANG Ke
(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

The numerical simulation of the dynamic response of typical ship bulkhead structure under combined action of high - speed fragment and shock wave loading was carried out. With the evaluation criteria Based on structural energy absorption and average residual velocity of fragments, we contrast and analysis the shock damage characteristics of the sandwich double bulkheads structure (IXV-type). The results show that: under the same combined load, we can get a smallest average residual velocity of fragment while the fragments penetrate the V-type sandwich double bulkheads structure. At the same time, the V-type sandwich double bulkheads structure absorbs the most energy. These three kinds of sandwich plate structures all have better anti- Impact damage property than the typical bulkhead structure.

combined action；double bulkhead；dynamic response；the new structure

U663.4

A

1672 – 7619(2017)06 – 0006 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2017.06.002

2016 – 12 – 16

尹群(1964 – )，男，博士，教授，研究方向?yàn)榇芭c海洋結(jié)構(gòu)損傷力學(xué)、船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)工藝力學(xué)。