艙室內爆下艦船結構損傷的一種計算方法

摘要： 為了評估艙室內爆多載荷耦合作用下艦船結構的損傷范圍，設計了大尺度艙段模型，并開展了艙室內爆毀傷試驗，試驗后測量了艙室結構的破壞范圍及破壞模式，分析了艙室內爆多載荷耦合作用下艦船結構的損傷機理，據此建立了艙室內爆下艦船結構損傷的計算方法。結果表明：（1） 艙室內爆下形成的強沖擊波載荷和準靜態壓力載荷可對艦船結構造成大范圍的損傷，形成多種破壞模式； （2） 艙室內爆下準靜態壓力載荷是艙室結構損傷破壞的主要毀傷元； （3） 建立的艙室內爆載荷下結構損傷變形計算方法可同時考慮強沖擊載荷和準靜態壓力載荷對結構的損傷破壞，理論計算結果與試驗結果吻合較好。

關鍵詞： 艙室內爆；結構損傷；沖擊波載荷；準靜態壓力載荷

中圖分類號： O383 國標學科代碼： 13035 文獻標志碼： A

半穿甲反艦導彈是當前攻擊水面艦船的主要武器，其對艦船的毀傷破壞主要依托強侵徹性能進入艦船內部發生艙室內爆，與敞開環境相比，艙室內爆下艦船結構同時承受著爆炸沖擊波、準靜態壓力、高速破片群等載荷的耦合作用，會形成更嚴重的結構損傷。艦船結構設計時如何評估艙室內爆下的結構損傷范圍并針對性地開展結構防護設計，是當前艦船設計人員較關心的問題。

現階段，針對艙室內爆下艦船結構的毀傷問題已開展了較多的研究，并取得了較豐碩的成果。加筋板是艦船結構最基本的結構單元，早期研究主要集中在對規則板架結構在沖擊載荷下的動響應研究。Nurick 等[1-2] 對爆炸載荷下方板的變形和失效進行了實驗研究，詳細闡述了3 種失效模式，同時指出邊界條件、沖擊波的反射效應等因素對板架結構動力響應有很大的影響，并基于塑性動力學原理得出了板架在爆炸作用下的變形預報公式。Jacob 等[3] 開展了空中局部爆炸作用下矩形板的實驗研究，對比了不同厚度、長寬比和炸藥形狀等對鋼板最終變形的影響，并得到了修正的無量綱數。Wierzbicki[4] 對接觸爆炸下固支圓板的花瓣開裂過程進行了理論分析和試驗研究，考慮了應變率效應，基于能量原理得到了破口半徑的計算方法。對于艦艇內部爆炸而言，作用于艙室結構的載荷較復雜，不僅包括沖擊波載荷，還包括準靜態壓力載荷和高速破片群載荷。侯海量等[5] 采用數值模擬方法對典型艙室結構在艙內爆炸載荷下的失效模式進行了分析，研究提出艙室板架結構主要有4 種失效模式，并提出加強筋布置在迎爆面有利于削弱角隅處的沖擊波匯聚作用。孔祥韶[6] 對艙內爆炸作用下含液多艙室結構的動態響應進行了實驗和數值仿真分析，重點討論了爆炸沖擊波與破片聯合作用載荷及艙內液體的影響；李營等[7] 開展了艙室模型在帶殼戰斗部艙室內爆下的毀傷特性試驗研究，指出在艙內爆炸作用下艙室結構遭受爆炸沖擊波、高速破片群載荷、準靜態壓力載荷的耦合作用，其中越靠近戰斗部的位置受沖擊波與破片載荷的聯合作用越明顯。侯海量等[8] 分析了艙內爆炸載荷的特點，并通過數值仿真手段討論了結構的破壞模式，發現艙內爆炸時角隅處的載荷強度遠大于其他位置，艙內結構破壞的主要模式為沿角隅位置發生撕裂。現階段的研究基本集中在試驗與仿真分析，對艙室內爆下艦船結構損傷計算方法的研究較少。

本文中，通過開展艙段模型的內爆試驗，基于試驗后艙室結構的破壞范圍及破壞模式，建立艙室內爆載荷下結構損傷變形的計算方法。