基于TRIZ理論的艦船防護艙壁結構型式生成研究

肖肯，李德聰，戴文喜，張弩，吳國民，賀雙元

1海軍駐大連船舶重工集團有限公司軍事代表室，遼寧大連116005

2中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

0 引 言

在戰爭中，艦船不可避免地遭受各種武器的攻擊威脅，特別是高性能反艦導彈，其普遍采用半穿甲型戰斗部［1］，可侵入船體內部爆炸，產生沖擊波和大量的高速彈片等毀傷元［2］。因此，對于某些重要艙室，需要在其周圍設置防護艙壁結構，以保證艙室結構主體及其中人員和設備的安全。提高艙壁結構的防護性能可通過增加鋼板厚度、加大支撐構件尺寸來實現，但引起的重量增加將對艦船的使用性能產生較大的影響；此外，由于沖擊波與彈片2種載荷對結構的作用方式及毀傷特點存在較大的差異，加大加厚構件的方法難以同時高效提升對沖擊波和彈片2種毀傷載荷的防護能力，亟待改進［3］。國內外學者提出了各種艦船防護艙壁結構型式并開展了相應的研究，例如，美國在20世紀80年代提出了金屬夾層結構［4-5］，段新峰等［6］研究了I型金屬夾層板結構在沖擊波和高速彈片聯合作用下的毀傷響應；張成亮等［7-9］提出了由陶瓷、纖維增強復合材料芯層和金屬面板組成的夾芯復合結構，并通過大量的模型試驗研究了該類結構在沖擊波和高速彈片聯合毀傷作用下的防護機理。可以預測，隨著科技的發展，將不斷有新的艦船艙壁防護結構型式提出。

如何在重量資源消耗較小時，實現對2種毀傷元的同時防御是艦船防護艙壁結構設計的難題。本文基于發明問題解決理論（Terija Rezhenija Inzhenernyh Zadach，TRIZ），擬采用該理論中的沖突分析方法及其解決原理，結合沖擊動力學知識，研究防護艙壁結構概念型式快速生成的有效方法。在此基礎上，探討艦船防護艙壁結構概念型式生成可采用的一般性原理，并對新型防護艙壁結構型式的技術發展方向進行預測，以期為艦船抗爆防護結構設計技術的發展提供一定的參考。

1 TRIZ解決技術問題的流程與方法

TRIZ是一種基于知識、面向人的發明問題解決系統化方法，由 Atshuller［10］于 1964 年最先提出。其通過研究大量的發明設計發現：1）類似的技術沖突或問題與其解決原理在不同的工業及科學領域交替出現；2）類似進化模式在不同的工業部門及不同的科學領域的技術系統中重復出現。也就是說，在某個工程領域遇到技術難題時，解決這些難題的方法是存在且可預見的，有一般性的原理與具體方法可以遵循。將TRIZ理論運用于產品概念設計，可快速提出有競爭力的概念方案，大幅提高設計效率。

采用TRIZ理論解決行業技術問題的一般流程見圖1［11］。首先，將需要解決的特定技術問題轉化為標準問題模型；然后，進行TRIZ匹配，找到該問題的原理解（TRIZ解）；再基于行業領域的專業知識把TRIZ解轉換為行業領域解；最后，對解決方案進行評價，確定是否最終解決該技術問題。

圖1 TRIZ理論解決技術問題的流程Fig.1 The process of solving technology problems by using TRIZ

TRIZ理論中可采用的工具主要包括分析工具和基于知識的解決工具2類。其中，分析工具用于定義、描述和模擬問題，提供了辨認和形式化問題的方法和計算機工具，包括：發明問題的解決算法（ARIZ）、物質—場分析、創新問卷調查表（ISQ）等。基于知識的解決工具來源于人類創新經驗所獲得的知識的積累、組織和構造，為使用者提供最高水平的問題解決工具，包括：40條發明原理、4條分離原理、76個標準解和效應數據庫等［12］。

TRIZ理論認為，創新的核心在于解決技術問題中存在的沖突，該理論在對大量發明專利分析的基礎上，提出了用39個通用工程參數（表1）來描述實際應用中的沖突。如果問題中的沖突可以用通用工程參數進行描述，則可以采用沖突解決原理（分離原理或發明原理）進行求解，是目前TRIZ理論中應用最普遍的工具。

產品設計中的沖突是普遍存在的，一般可分為物理沖突與技術沖突2類。物理沖突是指為實現某一功能，要求某一參數具有相反的特性；技術沖突是指為實現某一功能，一個參數的改善將引起另一參數的惡化。對于物理沖突，可通過4條分離原理來解決，分別為空間分離、時間分離、基于條件的分離、整體與部分的分離；對于技術沖突，可采用40條發明原理（表2）進行解決［13］。分離原理與發明原理間存在對應關系。

產品設計中，采用沖突解決原理的一般流程見圖2，首先確定設計中的沖突，將沖突描述標準化，然后針對技術沖突或物理沖突，分別采用相應的沖突解決工具得到問題的通用解，最后結合專業學科知識或可類比的實例，確定具體解決方案。

2 艦船防護艙壁結構型式生成研究

2.1 問題背景和描述

假定導彈戰斗部穿入船體內部爆炸，需在重要艙室周圍設置防護艙壁結構，以保證此類艙室結構主體及其中人員和設備的安全性（圖3）。

重要艙室的防護艙壁是防護功能實現的主體，主要受到沖擊波與彈片的聯合毀傷作用［14］。隨著武器的不斷發展及艦船對生命力要求的不斷提高，對艙壁結構的防護能力提出了更高的要求，但防護艙壁結構必須在一定的重量限制下進行設計，如果防護艙壁重量過大，將對艦船的使用性能產生較大影響。因此，如何在重量資源消耗極少的條件下實現對武器爆炸沖擊波和彈片的同時防御，達到預期的防護效果，是防護艙壁結構設計中的一個難題。

表1 通用工程參數Table 1 Universal engineering parameters

表2 發明原理匯總Table 2 Invention principles

圖2 采用沖突解決原理的一般設計流程Fig.2 General design process by using the Solution of technical contradiction

圖3 艙壁受沖擊波與彈片聯合作用示意圖Fig.3 The bulkhead subjected to combined blast shockwave and fragments loading

其他行業存在的防護問題已有一些相對成熟的解決方案：

1）陸上工事主要采用高強混凝土結構為防護結構［15］，主要防御對象為穿甲彈，其特點是價格低，但單位重量的防護能力較低。由于重量大、材料適應性差等客觀因素，該結構型式難以在艦船艙壁防護結構中應用。

2）個體防彈衣主要采用高性能纖維織物［16］，主要防御對象為子彈，其特點是柔性好、可塑性強、抗破片侵徹能力強。由于其結構強度、剛度弱，該結構型式無法在艦船防護艙壁結構中應用。

3）裝甲車輛主要采用厚裝甲及反應裝甲防護結構［17］，主要防御對象為長桿彈或破甲彈產生的高速金屬射流，而艦船艙壁結構的防御對象為沖擊波和破片，兩者的防御對象有較大差別，毀傷載荷作用差別也很大，故該結構型式難以直接應用。

雖然上述3類防護結構型式難以在艦船中直接應用，但可為艦船防護艙壁結構設計提供一定的借鑒與參考。

對新的防護艙壁的主要要求如下：

1）防護艙壁結構重量盡量輕；

2）可同時防御沖擊波和破片，即兼備較好的抗沖擊和抗侵徹性能；

3）最好能采用艦船現有的資源。

2.2 問題分析

2.2.1 功能模型及沖突區域確定

艦船重要艙室防護艙壁抗沖擊波與破片聯合作用問題（本問題）的功能模型見圖4，描述了系統元件及其相互關系。本問題的核心元件是艦船重要艙室的防護艙壁結構，其功能是實現對內部重要艙室的有效隔離防護。如果武器威力小或者武器不能侵入船體內部發生爆炸，那么艙壁結構的防護問題不存在，就本問題而言，武器威脅屬于超系統，難以改變；艙壁結構的防護性能主要表現為對沖擊波及破片的防護能力不足，即艙壁結構的抗沖擊性能和抗侵徹性能差，導致艙內人員及設備的安全性或可靠性差。因此，本問題的沖突區域為破片、沖擊波與防護艙壁結構之間的作用區域。

圖4 功能模型Fig.4 Function model

2.2.2 理想解與系統資源分析

本問題的理想解為：應用系統內資源，在不使系統復雜化和增加重量的條件下，隔離爆炸沖擊波和破片對艙室的毀傷危害。

本問題的次理想解為：引入或應用系統內資源，使系統復雜化程度增加及重量增加均較小的條件下，實現對武器爆炸產生的沖擊波和破片對艙室的毀傷危害的隔離防護。

防護艙壁結構型式構建可用的資源匯總參見表3。

表3 可用的系統資源列表Table 3 Resource involved in this system

2.3 問題解決

2.3.1 沖突的表述及發明原理的確定

主要采用了TRIZ理論中的沖突分析方法，以及技術沖突的解決原理——40條發明原理等技術工具。

在本問題中，希望改進的特性是艙壁的防護性能（包括抗沖擊性能與抗侵徹性能），依據常規增大板及加強筋構件尺寸的方法，將導致結構重量大幅增加。因此提高結構防護性能與結構重量代價間存在沖突，按照TRIZ理論，一個參數的改善將引起另一參數的惡化，該沖突屬于技術沖突。

參照表1所列的TRIZ通用工程參數，抗爆性能可以采用強度和可靠性這2個工程參數表征，結構重量可以采用靜止物體的重量這一工程參數表征，因此，改善的參數為強度和可靠性，惡化的參數為靜止物體的重量。

TRIZ理論在大量專利分析的基礎上，將39個工程參數分別作為X軸和Y軸，形成了完整的技術沖突矩陣表［12］，X軸和Y軸交點處的數字表示可采用的發明原理編號，每個交點處最多包含4項發明原理。

根據文獻［12］給出的沖突矩陣表，以強度和可靠性為改善的參數，以靜止物體的重量為惡化的參數，可采用的發明原理包括：分割、局部質量、重量補償、預操作、復制、廉價替代品、機械系統替代、復合材料，上述發明原理在表2中的序號分別為1，3，8，10，26，27，28和 40。對上述各發明原理的具體技術途徑簡述如下：

1）分割原理的技術途徑：

（1）將一個物體分成相互獨立、容易組裝及拆卸的部分；

（2）增加物體各部分之間相互獨立的程度。

2）局部質量原理的技術途徑：

（1）將物體或環境中的均勻結構變成非均勻結構；

（2）由物體的不同組成部分完成不同的功能；

（3）物體各組成部分都最大程度發揮作用。

3）重量補償原理的技術途徑：

（1）用一個能產生提升力的物體補償第1個物體的重量；

（2）通過與環境相互作用產生空氣動力或液體動力的方法來補償第1個物體的重量。

4）預操作原理的技術途徑：

（1）在操作開始之前，使物體局部或全部產生所需的變化；

（2）預先對物體進行特殊安排，使其準備時間充裕或已處于易操作的位置。

5）復制原理的技術途徑：

（1）用簡單、低廉的復制品代替復雜或不易操作的物體或結構；

（2）用光學復制或者圖像代替物體本身；

（3）如果已使用可見光拷貝，用紅外線或紫外線替代。

6）廉價替代品原理的技術途徑：用低成本、不耐用的物體代替昂貴、耐用的物體。

7）機械系統替代原理的技術途徑：

（1）采用電場、磁場及電磁場完成與物體的相互作用；

（2）將固定場變為移動場，將靜態場變為動態場，將隨機場變為確定場。

8）復合材料原理的技術途徑：將材質單一的材料改為復合材料。

2.3.2 發明原理的可用性分析

1）分割原理。

彈片的侵徹能力不僅取決于其自身特性（如質量、初始速度和形狀）和靶板特性（如密度、硬度和抗拉強度等），還取決于彈目交會時彈體的狀態（如速度和著角等）。如果防護艙壁為整體結構，彈片與結構僅一次接觸，則彈片的侵徹能力僅取決于其初始狀態，無法發揮空間資源的優勢。若采用分割原理，將抗侵徹結構分成相互獨立的部分并且各部分之間存在一定的距離，那么彈片穿過前面的結構時，其速度和著角均可能發生較大的改變［18］，再撞擊后面的結構時，可降低其侵徹能力，因此分割原理可用于防護艙壁結構型式構建。

2）局部質量原理。

依據局部質量原理的第1條技術途徑，當彈片垂直侵徹均勻靶板結構時，彈片的侵徹軌跡基本保持直線；而當彈片侵徹非均勻結構時，會誘發彈體的運動軌跡發生擾動、產生偏轉，直接影響彈片的侵徹性能。美國一家研究機構針對中空管形、金字塔形、三角形及折邊形等多種格柵結構進行了彈丸侵徹試驗，結果表明可產生非直線型彈道［19］。此外，防護艙壁在不同厚度處承受的載荷存在較大差異，臨近迎爆面處：沖擊波強度最大，彈片速度大（一般大于1 500 m/s），彈靶均產生塑性流動，防護材料的韌性、硬度、抗壓強度等參數起主要作用；臨近背爆面處：沖擊波強度弱，彈片速度小（從幾百米每秒衰減到零），彈片變形小，防護材料的強度等參數起主要作用。因此防護艙壁宜采用非均勻結構，使不同部位都最大限度地發揮作用（第3條技術途徑），來滿足對不同載荷的防護需求。鑒于此，局部質量原理可用于防護艙壁結構型式構建。

3）重量補償原理。

依據重量補償原理，未找到可用于防護艙壁結構型式構建的具體技術途徑。

4）預操作原理。

將艙壁結構分為幾部分，不同部位按時間順序分別與彈片及沖擊波發生作用，最終實現對2種聯合毀傷元的有效防護。結構先接觸的部分可改變彈片的侵徹軌跡、消弱沖擊波的強度，實現預操作的目的，削弱沖擊波和破片對后續結構的毀傷程度，因此預操作原理可用于防護艙壁結構型式構建。

5）復制原理。

依據復制原理，未找到可用于防護艙壁結構型式構建的具體技術途徑。

6）廉價替代品原理。

在防護艙壁結構型式構建時，可盡量將艙壁分成小塊，易于更換；同時，對于毀傷嚴重的部位，可采用塑性變形能量強、價格便宜的材料。因此廉價替代品原理可用于選擇防護艙壁結構型式構建。

7）機械系統替代原理。

對于長桿彈或高速金屬射流的防護，有學者提出了電磁裝甲防護結構的概念［20］，主要有2種方式：一種是通過電磁場力發射高能金屬板迎擊來襲目標致其破壞或偏轉；另一種是通過電磁場加劇射流的不穩定性，使射流發散而降低其侵徹能力［21］。主要應用機械系統替代原理的第1條技術途徑，但防御對象均是單一目標，與本問題的高速彈片群的多目標性存在較大差別。原則上可采用機械系統的替代原理對分散性多目標進行防護，但目前尚無經濟的技術途徑。

8）復合材料原理。

與鋼質材料相比，纖維增強復合材料具有比模量和比強度高、單位面密度吸能多等特點，抗侵徹性能優良［22］。目前研究較多的高性能纖維主要有玻璃纖維、芳綸纖維、高強聚乙烯纖維、玄武巖纖維和碳纖維等［16］。在艙壁防護結構設計中引入高性能纖維增強復合材料，可實現在等重量的情況下提高結構的抗侵徹性能，因此復合材料原理可用于防護艙壁結構型式構建。

2.3.3 基于發明原理的防護艙壁結構型式構建

基于2.3.2小節所述的發明原理，結合沖擊動力學和復合材料力學等專業領域知識，得到8種防護艙壁結構型式概念方案。

2.3.3.1 方案1

方案1為疊層鋼質艙壁結構型式，由加強筋與接觸式多層鋼板組成，詳見圖5（a）所示。其技術原理是將沖擊波與彈片聯合作用下金屬厚板的延性擴孔、剪切沖塞等耗能模式變為彎曲加薄膜拉伸、花瓣開裂等耗能模式，從而提高艙壁的防護性能。該方案應用的發明原理為分割。文獻［23-24］已提出了該結構型式并重點對單個彈丸的抗侵徹特性開展了研究。

2.3.3.2 方案2

方案2為多層復合艙壁結構型式，由鋼板與纖維增強復合材料板組成，根據復合材料板位置的不同，分為前置復合材料、后置復合材料及復合材料夾芯等型式，詳見圖5（b）所示。其技術原理如下：1）纖維增強復合材料單位面密度下吸能多，抗侵徹性能強；2）薄板在沖擊波作用下可產生彎曲與薄膜拉伸相疊加的變形模式，可加大能量吸收，從而提高了艙壁的防護性能。該方案應用的發明原理為分割與復合材料。文獻［7-9，25］已對該結構型式開展了初步研究，結果顯示較鋼質艙壁的抗彈片防護性能有一定的提高。

2.3.3.3 方案3

方案3為金屬夾層艙壁結構型式，主要由前、后面板及金屬夾芯層組成，夾芯層形狀包括梯形、半圓形等，詳見圖5（c）所示。其技術原理如下：1）在沖擊波的作用下，通過空間結構的塑性大變形吸能；2）利用結構的非均勻性，使彈片在侵徹過程中與防護結構發生多次碰撞，改變彈體侵徹軌跡，提高結構的抗侵徹性能。該方案應用的發明原理為分割與局部質量。文獻［4-6］已對該結構型式開展了初步研究，結果顯示較鋼質艙壁其防護性能有一定的提高。

2.3.3.4 方案4

方案4為間隔式雙層鋼質加筋板艙壁結構型式，詳見圖5（d）所示。其技術原理如下：1）將厚板分割為雙層間隔板，在一定工況下可提高其抗侵徹性能；2）雙層板之間存在間隔，由于阻抗失配，當入射沖擊波作用于第一層艙壁時發生反射，削弱了沖擊波強度，從而減弱了對后層艙壁的作用，提高了結構的抗沖擊性能。該方案應用的發明原理為分割。

2.3.3.5 方案5

方案5為間隔式雙層復合艙壁結構型式，主要由加筋鋼板與纖維增強復合材料板組成，兩者間留有一定的間隙，詳見圖5（e）所示。其技術原理如下：1）纖維增強復合材料單位面密度下吸能多，抗侵徹性能強；2）雙層艙壁之間存在間隙，由于阻抗失配，可使入射沖擊波產生反射，減弱對后層結構的作用；3）薄鋼板的彎曲加薄膜拉伸變形模式加大吸能。該方案應用的發明原理為分割與復合材料。文獻［25］已提出了該結構型式，主要針對單個規則彈片的抗侵徹特性開展研究，對該結構型式的抗沖擊性能目前尚未研究。

2.3.3.6 方案6

方案6也是間隔式雙層復合艙壁結構型式，主要由加筋鋼板與可活動式的纖維增強復合材料板組成，兩者間留有一定的間隙，與方案5相比，將復合材料板分割為小板塊，各板塊之間彈性連接且可以以連接線為軸線轉動，詳見圖5（f）所示。其技術原理如下：1）復合材料板具有較強的抗破片侵徹能力，可實現對來襲破片的隔離防護；2）在沖擊波的作用下，復合材料板之間為彈性連接，可在一定程度上活動，當沖擊波作用于塊狀復合材料板時，各板塊可產生以連接線為軸線的轉動，最終將大部分沖擊波能量轉化為板塊的動能，起到了大幅減弱沖擊波能量的作用，且小塊更容易維修替換；3）復合材料板與鋼質艙壁之間的空隙一方面可以為復合材料板在破片侵徹作用下的變形留有足夠的空間，便于發揮復合材料板的抗侵徹功能，另一方面還可使沖擊波在空隙處由于阻抗失配產生反射，減弱對內部鋼質艙壁的毀傷；4）薄鋼質艙壁通過彎曲加薄膜拉伸變形模式加大吸能，可進一步提高抗沖擊性能。該方案應用的發明原理為分割、復合材料與廉價替代品。

2.3.3.7 方案7

方案7也是間隔式雙層復合艙壁結構型式，由填充式金屬夾芯結構、加強筋和纖維增強復合材料板組成。填充式金屬夾芯結構位于外側，其與纖維增強復合材料板間留有一定的間隙，詳見圖5（g）所示。其中，填充式金屬夾芯結構由夾芯層、前面板、填充層和后面板組成。前、后面板及夾芯層的材料為鋼，填充層材料為閉孔聚氨酯泡沫。其技術原理如下：1）填充式金屬夾芯結構利用芯層的塑性變形及填充材料的壓縮吸能，可有效衰減沖擊波的強度，減小彈片的侵徹速度，改變其侵徹方向及降低對后續結構的侵徹能力；2）內層纖維增強復合材料板利用纖維破壞時的高效吸能，逐步降低彈片的侵徹能力，直至實現對破片的完全防御；3）內、外層之間的間隔，利用界面波阻抗失配引起的界面沖擊波反射，可大大降低沖擊波向內層結構的傳遞。該方案應用的發明原理為分割、局部質量、預操作與復合材料。

2.3.3.8 方案8

方案8為廣義上的防護艙壁結構型式，由液艙、普通鋼壁及間隙組成，詳見圖5（h）所示。其技術原理如下：1）利用水的阻力，當彈片作用于液艙時速度逐漸衰減，到達液艙后端時速度衰減至零；2）沖擊波可在液體中傳播；當沖擊波到達水艙的后壁時，由于水艙后壁為空氣間隙，受阻抗失配的影響，沖擊波大部分被反射到液體中，剩余的部分經過空氣間隙的衰減，作用到艙壁結構的壓力很小。該方案應用的發明原理為分割、局部質量與廉價替代品。

圖5 防護艙壁結構概念型式方案Fig.5 Concept configuration of hull protective bulkhead

3 不同結構型式概念方案總結與分析

3.1 不同結構型式概念方案總結

針對艦船防護艙壁結構型式，本文共列舉了8種概念方案，包括前人給出的4種方案（方案1，2，3和5）以及本文提出的4種方案（方案4，6，7和8）。

8種概念方案大致分為2類，一類是廣義的單層艙壁結構型式，包括方案1，2和3；一類是間隔式雙層艙壁結構型式，包括方案4～8。

方案1，2和3的空間資源占用相對較小，結構型式相對簡單，3種結構型式的抗侵徹性能或抗沖擊性能較常規艙壁結構型式有一定的提高，通過開展進一步的研究，可應用于實際工程。

方案4，5結構型式簡單，工程可實現性強，目前主要針對其抗彈片侵徹性能開展了研究工作，后續應對其抗沖擊性能進行研究。

方案6，7采用了多種發明原理，對不同的防護機理進行了集成應用，實現了對彈片和沖擊波2種毀傷載荷的同時防御，特點是占用空間小、對原船的布置影響小。其防護機理與目前研究的結構形式存在較大的差異，后續應對其抗侵徹、抗沖擊機理進行研究。

方案8通過對現有資源的合理分配，實現了彈片和沖擊波2種毀傷載荷的同時防御，特點是資源消耗少，重量代價小，成本不增加，但由于在原艙室周圍需要布置液體水艙等，對原船液艙的布置改變較大，后續需進一步開展應用研究。

綜上所述，方案6，7和8從原理上均能較好地提高防護艙壁結構的抗爆性能，且各有特點，是后續研究的重點。

各方案構建所采用的發明原理參見表4。從中可以看出，主要采用了分割、復合材料、局部質量、預操作和替代這5條發明原理，其中分割和復合材料原理使用較多。

表4 防護艙壁結構型式概念方案匯總Table 4 Summary of hull protective bulkhead design

3.2 艦船防護艙壁結構構建原理分析

利用TRIZ理論共得到8條發明原理，其中5條原理已在本文所述防護艙壁結構概念方案構建中得到應用。此外，文獻中提及的結構概念型式也都滿足上述發明原理，說明這些原理在艦船防護艙壁結構概念方案構建中具有一定的普適性。給結構概念設計提供了一種思路，即可基于分割、復合材料、局部質量、預操作和廉價替代品這5條發明原理進行結構概念方案構建，使得防護結構概念設計有一定的規則可循，大大提高了防護結構概念設計的效率。所需解決的問題轉變為了如何科學、合理地應用這些原理提高結構的防護效能。

可以預見，新的防護艙壁結構型式的提出將會綜合使用上述多種發明原理，實現資源的優化配置。

4 結 語

1）基于TRIZ理論，通過技術沖突分析方法及解決理論，合理利用系統資源，構建了8種防護艙壁結構概念型式方案，詳述了各方案的組成結構及技術原理，可為艦船防護艙壁結構的設計與研究提供參考。

2）艦船防護艙壁結構概念方案構建主要采用了5條發明原理，包括分割、復合材料、局部質量、預操作和廉價替代品。這些發明原理具有一定的普適性，使得防護結構型式設計有一定的原理可循，為新的防護結構型式的提出提供了技術途徑，可有效提高防護結構概念設計的效率。