爆炸載荷作用下艦船板架的變形與斷裂研究綜述

姚熊亮 楊樹濤 張阿漫

哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001

爆炸載荷作用下艦船板架的變形與斷裂研究綜述

姚熊亮 楊樹濤 張阿漫

哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001

爆炸載荷作用下艦船板架結(jié)構(gòu)的變形與斷裂研究受到工程界的廣泛關(guān)注，近年來國內(nèi)外在這方面取得大量的研究成果。從理論研究、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值仿真三個方面對爆炸載荷作用下結(jié)構(gòu)的變形與斷裂所取得的研究成果進(jìn)行綜述，并指出目前研究的熱點(diǎn)和未來的發(fā)展趨勢。

板架結(jié)構(gòu)；斷裂；船體變形；爆炸；綜述

1 引言

一直以來，艦船板架結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊載荷作用下的變形與斷裂問題得到了廣泛的研究，國內(nèi)外學(xué)者在這方面做了大量的工作。爆炸是物質(zhì)非常迅速的化學(xué)或物理變化過程，在變化過程里迅速地釋放出巨大的熱量并生成大量的氣體，此時的氣體由于瞬間尚存在于有限的空間內(nèi)，故有極大的壓強(qiáng)，對爆炸點(diǎn)周圍的物體產(chǎn)生了強(qiáng)烈的壓力，當(dāng)高壓氣體迅速膨脹時形成爆炸。對于艦船本身而言，其在執(zhí)行任務(wù)的過程中主要面臨水中爆炸和空中爆炸的威脅。兩者相比，由于海水的密度約為空氣密度的835倍，壓縮性通常只有空氣的（1／30 000～1／20 000），因此，炸藥在水中爆炸所產(chǎn)生的破壞作用要比在空氣中爆炸強(qiáng)烈得多［1］。從破壞作用的機(jī)理上分析，水中爆炸對目標(biāo)破壞作用主要是由水中沖擊波、爆炸產(chǎn)物形成的氣泡和氣泡脈動形成的壓力波以及其他力量作用的結(jié)果，而空氣中爆炸則主要包括空中沖擊波及彈片等的破壞作用。

艦船板架結(jié)構(gòu)承受的爆炸載荷，是在很短時間內(nèi)，在巨大沖擊載荷作用下的一種復(fù)雜的非線性動態(tài)響應(yīng)過程，屬大變形、強(qiáng)非線性（包括材料非線性、幾何非線性、運(yùn)動非線性）問題，按其作用形式主要分為接觸爆炸和非接觸爆炸兩種。通常接觸爆炸主要造成艦船板架結(jié)構(gòu)的局部損傷，而非接觸爆炸的破壞作用則是全船性的。另外，一般艦船板架結(jié)構(gòu)是由加筋板焊接而成的，板的破裂和焊縫失效在結(jié)構(gòu)失效中也起著重要作用，它們直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理和能量吸收。爆炸的破壞作用還包含很多不確定因素，如爆炸的炸藥類型、藥量大小、炸藥到結(jié)構(gòu)的距離、周圍環(huán)境、自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)等。一般而言，武器的裝藥量越大，對艦船的破壞程度就越大，但是由于現(xiàn)代武器彈藥要具備遠(yuǎn)程運(yùn)送和精確打擊的作戰(zhàn)能力，一般都會對彈藥的裝藥量提出限制。研究新型高能炸藥、定向爆破和先進(jìn)戰(zhàn)斗部技術(shù)就成為提高現(xiàn)代武器毀傷能力的途徑。與此同時，為了提高現(xiàn)代艦船抵抗水下、空中武器攻擊的能力，許多新型復(fù)合材料［2－4］和抗爆防護(hù)結(jié)構(gòu)［5－8］的研究及設(shè)計成為研究的熱點(diǎn)和趨勢。這些措施都使艦船的生命力得到了很大的提高，同時也為如何高效摧毀艦船結(jié)構(gòu)提出了新的挑戰(zhàn)。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 實(shí)驗(yàn)研究

由于爆炸載荷作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)問題研究的復(fù)雜性，對其進(jìn)行詳細(xì)的理論研究，并企圖通過建立一個精確的數(shù)學(xué)模型而使爆炸作用下結(jié)構(gòu)的動響應(yīng)得到完全解析，是十分困難的。因此，早期的研究多限于實(shí)驗(yàn)研究工作，以期望能從爆炸的現(xiàn)象和測得的數(shù)據(jù)中，分析總結(jié)出一些經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律，用于指導(dǎo)工程實(shí)踐。

2.1.1 板殼結(jié)構(gòu)變形預(yù)測

國外實(shí)驗(yàn)研究起步較早，但是由于受當(dāng)時實(shí)驗(yàn)設(shè)備、技術(shù)和方法的限制，早期的實(shí)驗(yàn)研究工作也僅限于板、梁這些簡單的基本構(gòu)件。首先，Kennard A.H.［9］對固支光板在爆炸載荷作用下的變形進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀察，發(fā)現(xiàn)在沖擊波從球面波到平面波的變化過程中，板結(jié)構(gòu)的塑性變形也相應(yīng)地從錐形變化為球形。對于固支圓板在爆炸載荷作用下的變形與能量的關(guān)系，Gleyzal［10］做出了理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終發(fā)現(xiàn)圓板在沖擊動響應(yīng)過程中所吸收的能量與板變形的平方近似成正比。為了進(jìn)一步研究板變形與吸收能量的關(guān)系，F(xiàn)ye P.M.，Eldridge F.E.［11］等做了一系列的實(shí)驗(yàn)，通過在板上分布應(yīng)變片測得應(yīng)變數(shù)據(jù)計算板吸收的能量。給出的結(jié)論是：在板格中心變形相等的條件下，板的變形為拋物線型時所吸收的能量與球型變形幾乎相同，圓錐型變形與雙曲型變形為球型變形所吸收能量的1／2。為了對板殼在爆炸沖擊載荷作用下的塑性變形進(jìn)行定量預(yù)測，基于Jones［12］的理論研究，Nurick［13］和Rajendran［14］與他們各自的研究小組，分別做了系列的實(shí)驗(yàn)研究，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得到了變形預(yù)測的經(jīng)驗(yàn)公式。通過對比發(fā)現(xiàn)：由于沒有考慮應(yīng)變率效應(yīng)，Jones的理論預(yù)測比實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏高，在考慮了應(yīng)變率效應(yīng)之后，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合較好；Nurick等通過引入了一個計及板形狀、尺寸、材料和載荷的無量綱損傷因子，得到了無量綱變形厚度比與損傷因子的擬合曲線。然而，由于沒有考慮水下爆炸載荷的二次加載現(xiàn)象，所得結(jié)果比實(shí)驗(yàn)值偏低；Rajendran等很好地考慮了這些因素，所得的經(jīng)驗(yàn)公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。此外，Houlston R［15］等對不同厚度的方形薄板進(jìn)行了水下爆炸研究，獲得了相應(yīng)的位移分布值。隨后，Rajendran R［16］等對300 m m×250 mm×4 mm的矩形板以及250 mm直徑的圓柱殼（長1 m）做了系列水下爆炸作用下的響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，也得到了不同爆炸距離下靶板的變形情況。

2.1.2 板架失效模式及變形研究

以梁結(jié)構(gòu)為研究對象，Menkes S.B.［17］等通過對固支鋁質(zhì)金屬梁的實(shí)驗(yàn)研究，首次提出了爆炸載荷下梁的失效模式，指出隨著載荷強(qiáng)度的增加，梁有3種失效模式：塑性大變形（模式Ⅰ）、在固支端的拉伸失效（模式Ⅱ）以及固支端的剪切失效（模式Ⅲ）。隨后，人們在爆炸沖擊載荷作用下圓板［18］和方板［19］的失效研究中也觀察到了類似的失效模式，其中方板的拉伸失效往往從邊界的中點(diǎn)開始撕裂并沿邊界向兩邊擴(kuò)展，同時進(jìn)一步把失效模式Ⅱ細(xì)分為部分?jǐn)嗔咽ВＪ舰?）、伴隨中心變形增大趨勢的完全斷裂失效（模式Ⅱa）及伴隨中心變形減小趨勢的完全斷裂失效（模式Ⅱb）。通過大量的系列實(shí)驗(yàn)，Nurick［20］等又把不同邊界條件下方板的失效模式Ⅰ進(jìn)一步分為無明顯頸縮的塑性大變形失效、部分邊界出現(xiàn)頸縮的塑性大變形失效、完全邊界頸縮的塑性變形失效三種形式。隨著實(shí)驗(yàn)研究的進(jìn)一步開展，Houlston R.［21－22］等對船用加筋板架在空中爆炸載荷作用下的動響應(yīng)和永久變形進(jìn)行了研究。既采用ADINA結(jié)構(gòu)非線性計算程序進(jìn)行數(shù)值計算，又進(jìn)行了板和板架的系列空爆實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，邊界條件、沖擊波的反射效應(yīng)等因素對板架結(jié)構(gòu)動響應(yīng)有很大的影響，并基于塑性動力學(xué)原理，得出了板架在爆炸作用下的變形預(yù)報公式。Nurick G.N.［23］等對爆炸載荷作用下具有1根加筋的固支方板的破壞模式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明當(dāng)加強(qiáng)筋較弱時，板的撕裂發(fā)生在固支邊界，而加強(qiáng)筋較強(qiáng)時，板將沿加強(qiáng)筋發(fā)生撕裂。關(guān)于雙向加筋板的大撓度塑性動力響應(yīng)，Schubak［24］等采用板架模型做了較為系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。最近，Chung Kim Yuen S.［25］和Langdon G.S.［26］進(jìn)行了不同形式（包括光板、單筋、雙筋、十字加筋、雙十字加筋）的固支加筋方板分別在均布和局部爆炸載荷作用下的系列實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，觀察到了加筋板各種形式下的失效模式。同時考慮了不同加筋形式、加筋尺寸對板架結(jié)構(gòu)變形的影響，給出了一些規(guī)律性的曲線。Ramajeyathilagama K.［27］等對氣背固支方板做了系列實(shí)驗(yàn)，著重討論了失效模式Ⅱ和失效模式Ⅲ及兩種失效模式耦合的失效判據(jù)，并對Jones和Nurick G.N.提出的變形預(yù)測與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，得到了令人滿意的結(jié)果。

2.1.3 國內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

國內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究起步相對較晚，而且過于分散。直至20世紀(jì)80年代，中國船舶科學(xué)研究中心等單位開展了水下爆炸的實(shí)驗(yàn)研究工作，對矩形加筋板、鋼質(zhì)圓柱殼等結(jié)構(gòu)，在水下爆炸的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了大量的測試工作。朱錫、朱凌［28］等利用光測法對爆炸載荷下固支方板塑性變形過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。對鋼、鋁等材料的試板給出了塑性變形過程的真實(shí)位移場和速度場。實(shí)驗(yàn)結(jié)果從機(jī)理上提供探討此類問題分析方法的一些途徑，并對進(jìn)一步開展艦艇抗爆問題的工程計算方法研究具有重要的指導(dǎo)意義。為了對固支加筋方板在爆炸載荷作用下的塑性動力響應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)研究，劉土光［29］等對十字加筋方板進(jìn)行了空爆實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了其理論分析的正確性。張效慈［30］等對鋼質(zhì)圓柱殼（直徑0.5 m，長1 m，壁厚5 mm）進(jìn)行了1 kg TNT在不同作用距離下，水下爆炸動態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究，獲得了不同部位的應(yīng)變分布值。張綺蓉［31］等對某艦船進(jìn)行了水下非接觸爆炸實(shí)驗(yàn)，獲得水下爆炸對艦船總縱強(qiáng)度與局部強(qiáng)度的影響情況。進(jìn)入21世紀(jì)，相關(guān)方面的實(shí)驗(yàn)研究得到了廣泛的開展。朱錫，白雪飛［32］等針對船體中常見的加筋板結(jié)構(gòu)，設(shè)計了4個板架模型，將模型四邊剛性固定，在板中央放置炸藥，分別對其進(jìn)行了水下接觸爆炸實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)爆炸作用下板架模型均以花瓣形破裂，產(chǎn)生大面積的破口，不同形式和尺寸的加強(qiáng)筋對板架的破壞程度具有不同的影響。通過對破口尺寸和形狀的觀測，分析了加強(qiáng)筋對破口長度的影響，提出了板架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋相對剛度的概念，描繪了不同尺寸加強(qiáng)筋在不同炸藥量下對板架結(jié)構(gòu)破口范圍的影響。同時，對現(xiàn)有的水下接觸爆炸作用下的破口長度估算公式進(jìn)行了修正，給出了考慮加強(qiáng)筋影響的破口計算公式。經(jīng)過比較，該公式比現(xiàn)有的破口估算公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加吻合。吳成，金儼，李華新［33］等在對固支方板爆炸沖擊作用下變形撓度進(jìn)行理論推導(dǎo)的同時，也進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，水下爆炸實(shí)驗(yàn)在自制的水箱中進(jìn)行。通過與理論計算結(jié)果的對比，發(fā)現(xiàn)邊界的約束條件對靶板的變形有很大的影響。這對以后的實(shí)驗(yàn)研究工作的開展具有很大的指導(dǎo)意義。朱錫、馮剛、張振華［34］等對相對板厚H／L為0.02～0.09的鋼、鋁薄板進(jìn)行了爆炸實(shí)驗(yàn)研究，測量了固支方板厚度的變化規(guī)律，從而提出了相應(yīng)的假設(shè)，導(dǎo)出了固支方板在爆炸脈沖作用下的應(yīng)變場，找出了固支方板在爆炸脈沖作用下破裂的最危險部位。通過實(shí)驗(yàn)可以看到，固支方板的破壞模式以大變形拉伸和彎曲破壞為主，因此在以后的研究中，可以忽略了剪切應(yīng)變的影響。牟金磊，朱錫，張振華［35］等通過實(shí)驗(yàn)研究，給出了加筋板在對應(yīng)加強(qiáng)筋相對板殼較弱和較強(qiáng)兩種情況下的不同塑性變形模式。通過測量實(shí)驗(yàn)后加筋板裂紋的減薄率，利用體積等效原理并分別基于單向和雙向應(yīng)變假設(shè)，確定了Q235鋼在加筋板邊界拉伸撕裂破壞模式中的開裂極限應(yīng)變值，為結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊作用下破損的數(shù)值仿真奠定了基礎(chǔ)。

2.2 理論研究

2.2.1 早期理論研究進(jìn)展

多年來，人們積極開展板殼結(jié)構(gòu)爆炸的理論研究，其中最具代表性的是庫爾于20世紀(jì)50年代出版的《水下爆炸》一書，這本書對水下爆炸及相關(guān)問題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，為之后理論研究工作的開展奠定了基礎(chǔ)。早期理論研究主要集中在光板、交叉梁等結(jié)構(gòu)上，由于加筋板結(jié)構(gòu)變形比較復(fù)雜，國內(nèi)外對爆炸沖擊作用下加筋板結(jié)構(gòu)的變形，至今還沒有一套很完整的理論估算方法。由于爆炸載荷作用下板架結(jié)構(gòu)的響應(yīng)十分復(fù)雜，基于能量法研究板架結(jié)構(gòu)沖擊作用下的變形與破損一直是問題研究的主流方法。吳有生［36］、朱錫［37］等分別在考慮了大變形時的應(yīng)變關(guān)系及中面膜力影響的前提下，基于能量法推導(dǎo)了一個計算非接觸爆炸載荷作用下艦船板架變形及破損的公式，兩者的區(qū)別在于前者將板和加筋梁的變形能分開考慮，后者將板架化為正交的骨架梁系來考慮，并將板架的板作為骨架的帶板。最終將估算結(jié)果與國內(nèi)外有關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了計算比較，結(jié)果表明所導(dǎo)公式具有一定的應(yīng)用價值。兩者給出的估算公式都是以板架變形為簡單的雙三角函數(shù)為前提，所以可以迅速、簡潔地給出一個估算公式。但是，其公式應(yīng)用的局限性也由此產(chǎn)生，當(dāng)板殼加筋強(qiáng)度較大時，板架的變形模態(tài)復(fù)雜多變，此公式就會帶來很大的誤差，要想從根本上解決問題，還需從加筋板架的變形模態(tài)進(jìn)行分析。劉土光［38］等對固支十字加筋方板和矩形加筋方板在爆炸載荷作用下的剛塑性動力響應(yīng)進(jìn)行了分析，并提出了針對加筋剛度強(qiáng)弱不同時，該類結(jié)構(gòu)在這種載荷作用下的兩種變形模態(tài)和模態(tài)判別條件，導(dǎo)出了計及膜力影響的最大殘余橫向變形的計算方法及計算公式。并對兩種變形模態(tài)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，取得了理論計算值與實(shí)驗(yàn)值相一致的好結(jié)果。黃震球［39］詳細(xì)分析了爆炸載荷作用下固支加筋方板的大撓度塑性動力響應(yīng)，給出了各種可能的運(yùn)動模式以及相應(yīng)的判別條件，導(dǎo)出了最大殘余變形的計算式。并指出在爆炸沖擊載荷作用下，加強(qiáng)筋的強(qiáng)弱和載荷的大小不同，固支加筋板結(jié)構(gòu)的變形情況可能出現(xiàn)三種模式：

第一種模式，加強(qiáng)筋較弱，面板和筋作為一個整體發(fā)生變形，加強(qiáng)筋基本不影響面板的變形模式；

第二種模式，加強(qiáng)筋足夠強(qiáng)，一直處于剛性狀態(tài)，加筋板的板格始終以加強(qiáng)筋作為固定邊界發(fā)生運(yùn)動和變形；

第三種模式，加強(qiáng)筋強(qiáng)度介于以上兩者之間，面板變形通過筋與板之間作用力使筋也發(fā)生一定程度的變形，加強(qiáng)筋部分限制了面板的變形。

黃駿德［40］等對在較大幅值和較長持續(xù)時間的爆炸脈沖作用下，固支方板大變形的塑性動力響應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究。其利用Jones－Sawczuk控制方程，導(dǎo)出了爆炸脈沖下固支方板最大殘余撓度的簡單理論公式，該式與按沖量作用的相應(yīng)公式有明顯差別。Jiang J.［41］通過將加筋板簡化為并列梁，采用剛塑性法并在結(jié)構(gòu)濕表面上采用簡化的聲學(xué)近似方法進(jìn)行處理，求得水下爆炸載荷作用時的響應(yīng)。于政文［42］給出了基于塑性動力學(xué)理論，均布沖擊作用下，位于彈性基礎(chǔ)上的簡支理想剛塑性方板在中載和高載情況下的塑性動力響應(yīng)的解析解。

2.2.2 最新理論研究進(jìn)展

進(jìn)入21世紀(jì)，爆炸作用下板架結(jié)構(gòu)的動響應(yīng)分析的理論研究工作開展得更為廣泛，國內(nèi)研究也取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。吳成、金儼［43］等通過對水中爆炸理論和板的大變形理論分析，應(yīng)用能量原理和Lagrangian函數(shù)，推導(dǎo)出反映固支方板在沖擊載荷作用下變形的最終撓度的解析解。朱錫、白雪飛［44］等為了得到爆炸作用下船體板架塑性動力響應(yīng)及破口，首先將加筋板架等效為簡單的圓板，然后假設(shè)一定的塑性變形模式，得到變形能與變形的關(guān)系，利用動量定理和能量守恒定理，建立了板架塑性變形的理論模型，得出了變形撓度的計算公式。通過接觸爆炸實(shí)驗(yàn)，得出材料極限動應(yīng)變的估算值，并以最大環(huán)向應(yīng)變等于極限動應(yīng)變作為板架徑向撕裂的條件，得到破口半徑的計算公式。諶勇［45］等分析了簡支剛塑性圓板受水下爆炸載荷時的塑性動力響應(yīng)。考慮到流固耦合作用，應(yīng)用Taylor平板理論求水下爆炸壓力，用剛塑性法分析了圓板的永久變形場，引入膜力因子考慮了圓板大變形時的膜力效應(yīng)。蓋京波［46］等對艦船板架在接觸爆炸載荷作用下的變形問題進(jìn)行了研究?；谧兎衷淼玫剿倪吂讨У陌寮軞堄嘧冃蔚慕朴嬎愎剑鶕?jù)破壞準(zhǔn)則給出了估算破口半徑的近似方法，并與經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了比較，結(jié)果表明此方法可應(yīng)用于艦船結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊波作用下的破壞或防護(hù)方面的工程預(yù)測，從而為艦船的安全防護(hù)設(shè)計提供理論依據(jù)。

Rajendran R.［47］則從能量的觀點(diǎn)對爆炸載荷作用固支板的變形進(jìn)行了討論，利用沖擊因子對變形模式進(jìn)行劃分。唐獻(xiàn)述、龍?jiān)础⑼鯓涿瘢?8］等利用能量理論處理爆炸載荷作用下板的最大變形量的計算問題，推導(dǎo)了接觸爆炸作用下線性硬化材料板的最大變形量計算式。牟金磊、朱錫［49］等將加筋板的變形分為整體變形和局部變形，借助數(shù)值計算擬合了兩者能量分配關(guān)系，進(jìn)而提出了爆炸沖擊作用下加筋板結(jié)構(gòu)變形的理論計算方法，給出了三種變形模式下板架變形的統(tǒng)一計算公式，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果吻合較好。劉永行［50］等采用雙剪應(yīng)力強(qiáng)度理論，考慮材料的拉壓強(qiáng)度比，求解了簡支圓板在爆炸沖擊載荷波載荷作用下的動力響應(yīng)問題，最終給出了殘余撓度的計算公式，并討論采用不同的拉壓強(qiáng)度比對簡支圓板塑性動力響應(yīng)的影響。研究結(jié)果表明，材料的拉壓強(qiáng)度比對簡支圓板的塑性動力解的影響很大。

吳成、倪艷光［51］等分析了炸藥水中爆炸沖擊載荷作用下氣背固支鋼方板的動態(tài)響應(yīng)過程。通過對不同裝藥量和炸距下的水下爆炸沖擊作用實(shí)驗(yàn)，使用更準(zhǔn)確的水介質(zhì)沖擊載荷模型，采用改進(jìn)的強(qiáng)化系數(shù)方形屈服線假設(shè)和剛線性硬化材料屈服模型，對固支氣背薄鋼方板的2種運(yùn)動形態(tài)的動態(tài)響應(yīng)過程進(jìn)行了理論分析，得到了板的動態(tài)響應(yīng)解析解。方斌、朱錫［52］等以能量法為基礎(chǔ)，將底部板架的響應(yīng)過程分成整體變形和局部變形2個部分，根據(jù)兩者的不同特點(diǎn)，分別采用骨架梁模型和固支矩形板模型進(jìn)行計算，并引入能量分配機(jī)制，對兩者所吸收的能量進(jìn)行分配，使理論模型能夠直接求解。為驗(yàn)證理論模型，建立了船底板板架的有限元模型，采用MSC.Dytran進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果吻合較好。

2.3 數(shù)值模擬

實(shí)驗(yàn)研究是再現(xiàn)物理過程最可靠的手段。但是爆炸實(shí)驗(yàn)對于實(shí)驗(yàn)場地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求嚴(yán)格，操作復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)周期長等，難于大規(guī)模進(jìn)行，所以不便于廣泛應(yīng)用。同時，對水下爆炸作用下加筋板架這樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)響應(yīng)的理論分析也比較困難。在這樣的背景下，數(shù)值仿真計算便顯得十分必要。尤其是在20世紀(jì)60年代以后，隨著計算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展以及計算方法的完善，水下爆炸的數(shù)值仿真研究得到了很大的發(fā)展，同時由于數(shù)值仿真方法具有研究周期短和投入經(jīng)費(fèi)少等優(yōu)點(diǎn)，目前數(shù)值仿真已經(jīng)成為水下爆炸研究熱點(diǎn)。許多高瞬態(tài)非線性有限元分析程序，如：LS－DYNA、ABAQUS、ADINA、DYTRAN等得到了廣泛使用。數(shù)值仿真的關(guān)鍵在于要保證仿真結(jié)果的可靠性，這主要取決于輸入?yún)?shù)、建模方法、計算手段等多方面的因素。

Rudrapatna N.S.，Vaziri R.［53－54］等通過有限元分析軟件，模擬分析了單向加筋板三種失效模式。Slater J.E.，Houlston R.［55］等對海洋結(jié)構(gòu)物鋼板進(jìn)行了空爆作用下結(jié)構(gòu)變形與破損數(shù)值模擬分析。Ramajeyathilagam K.［56］等通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究確定了水下爆炸作用下矩形板的塑性大變形失效和拉伸失效兩種失效模式。與此同時，Ramajeyathilagam K.在圓柱殼上也做出了同樣的報道。Vendhanb C.P.等應(yīng)用大型有限元分析軟件CSA／GENSA［DYNA3D］，對矩形薄板在水下爆炸載荷作用下的失效模式進(jìn)行了仿真分析，并把仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比分析，得到了滿意的結(jié)果。姚熊亮［57－58］等以某船的船體結(jié)構(gòu)和型線為基礎(chǔ)，建立有限元分析模型，利用LS－DYNA程序計算了船體在不同炸藥當(dāng)量、起爆位置、有限元網(wǎng)格劃分時的沖擊環(huán)境，分析了船體在不同工況下的沖擊響應(yīng)，計算結(jié)果分析表明：在一定的條件下LS－DYNA有限元軟件計算水下爆炸沖擊環(huán)境是可行的，并得出了一些有益的結(jié)論。在進(jìn)行分析時，姚熊亮［59］等討論了不同流場范圍及網(wǎng)格劃分對計算結(jié)果的影響，并給出了簡便的節(jié)省時間的可行的計算方法。Chung Kim Yuen S.，Nurick G.N.等在對固支四邊形加筋板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的同時，也進(jìn)行了數(shù)值仿真驗(yàn)證。他們采用ABAQUS軟件建立有限元模型，同時考慮了材料的溫度效應(yīng)與應(yīng)變率效應(yīng)，對多種加筋形式和加筋尺寸情況下板架的非線性大變形進(jìn)行了很好的預(yù)測。梅志遠(yuǎn)［60］等針對船用加筋板架復(fù)雜結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊波作用下的動態(tài)響應(yīng)，采用商用高動態(tài)非線性有限元程序MSC／Dytran，討論了大尺寸加強(qiáng)結(jié)構(gòu)板架迎爆承載問題，提出了復(fù)雜板架結(jié)構(gòu)爆炸沖擊波作用下動態(tài)響應(yīng)的有限元計算方法，并進(jìn)行了模型實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了應(yīng)用程序及計算模型參數(shù)的穩(wěn)定性和可靠性。Balden V.H.，Nurick G.N.［61］對文獻(xiàn)［18］的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行了數(shù)值仿真計算。他們應(yīng)用了大型水動力計算軟件AUTODYN模擬爆炸載荷在時間與空間的分布，用ABAQUS模擬爆炸載荷作用下板的變形與失效，給出的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合較好。諶勇等在理論上推導(dǎo)了剛塑性圓板受水下爆炸載荷時的塑性動力響應(yīng)的同時，并應(yīng)用非線性有限元軟件ABAQUS進(jìn)行了數(shù)值模擬比較。結(jié)果表明，在不考慮空泡和爆炸壓力時間常數(shù)較小時，用剛塑性方法可以較好地求解圓板的變形場，但在處理空泡問題時難度較大。最后分析了流固耦合的影響，給出了粗略的估計方法，這在工程設(shè)計階段具有一定的參考價值。侯海量、朱錫［62］等通過采用動態(tài)非線性有限元分析程序MSC／DYTRAN模擬加筋板的動態(tài)響應(yīng)及失效，分析了爆炸載荷下具有1根加強(qiáng)筋的固支矩形加筋板失效模式及加強(qiáng)筋相對剛度、沖擊載荷強(qiáng)度對加筋板失效模式的影響，得到單根加筋板的兩種失效模式的判別條件，并由此求得加筋板結(jié)構(gòu)由發(fā)生塑性大變形到發(fā)生破損時，加強(qiáng)筋的相對剛度及臨界沖擊載荷，確定了抗爆性能最強(qiáng)時，加筋板質(zhì)量與各加強(qiáng)筋橫截面尺寸及加筋間距的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對固支矩形加筋板抗爆結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。與此同時，侯海量［63］等又對艙內(nèi)爆炸載荷作用下艦艇結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)及失效進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，艙室板架結(jié)構(gòu)承受的沖擊載荷及失效模式與敞開環(huán)境爆炸下加筋板結(jié)構(gòu)承受的沖擊載荷及失效模式有較大區(qū)別，其動態(tài)響應(yīng)難以用敞開環(huán)境爆炸下加筋板結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)描述。吳義田［64］等運(yùn)用量綱分析得到影響近距離爆炸下靶板動力響應(yīng)的獨(dú)立變量，通過動力有限元分析軟件LS－DYNA中的流固耦合算法，對一定藥量TNT的球形裝藥的爆炸過程進(jìn)行數(shù)值仿真。張馨、王善［65］等以加筋板模型為研究對象，建立了平板、井字加筋板、十字加筋板三種模型。利用非線性有限元程序LS－DYNA，分別模擬計算出它們在水下接觸爆炸載荷作用下的動力響應(yīng)。陳永念，譚家華［66］等采用數(shù)值方法研究了正方形板在水下爆炸沖擊波載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)，分析了板的變形模式，研究了板厚和爆炸沖擊因子對板的最大變形撓度的影響，推導(dǎo)出簡單適用的經(jīng)驗(yàn)公式。

3 研究建議及展望

隨著人類社會的進(jìn)步及科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，爆炸載荷作用下板殼結(jié)構(gòu)變形與失效研究工作越來越引起人們的重視，目前需要研究的工作主要包括以下四個方面。

1）實(shí)驗(yàn)研究。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法研究的同時，有效地開展大規(guī)模、系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究也變得十分必要。尤其是國內(nèi)，在實(shí)驗(yàn)研究工作開展得過于分散，不利于研究工作的進(jìn)一步開展。

2）理論研究。爆炸及爆炸載荷作用下的大型復(fù)雜板架動態(tài)響應(yīng)機(jī)理研究。如前所述，爆炸是一種非常復(fù)雜的過程，爆炸載荷下的動態(tài)響應(yīng)屬大變形、高度非線性、流固耦合的瞬時動態(tài)響應(yīng)，目前人們對其機(jī)理仍沒有完全研究清楚，需我們進(jìn)一步詳細(xì)研究。

3）數(shù)值仿真。作為目前應(yīng)用最多的一種研究手段，數(shù)值仿真具有無可比擬的優(yōu)越性。然而計算結(jié)果的可靠性一直是研究人員所關(guān)注的問題。目前的計算軟件也只能針對具體的問題，有著良好的逼近度，也就是說，還不能將各種綜合影響因素真實(shí)地模擬出來。這些問題最終的解決還需要對爆炸及結(jié)構(gòu)響應(yīng)的機(jī)理研究和軟件計算功能的改善。

4）工程應(yīng)用研究。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在爆炸載荷作用下的應(yīng)用研究。由于復(fù)合材料具有普通材料所不具有的優(yōu)越性能，目前已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、艦船、水下管道等結(jié)構(gòu)中。同時由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的特殊性，對其進(jìn)行的理論與實(shí)驗(yàn)研究也變得十分困難，至今這方面的報道還很少，有待于研究工作的進(jìn)一步開展。

5）艦船抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。隨著現(xiàn)代精確制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展和導(dǎo)彈爆炸威力的提升，艦船生存環(huán)境面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。因此，研究開發(fā)出在滿足常規(guī)強(qiáng)度、使用要求下安全可靠、方便實(shí)用的新型抗爆結(jié)構(gòu)型式，對于提高艦船生命力具有非常重要的意義。

4 結(jié)語

爆炸載荷作用下艦船板架的變形與撕裂，將會給人員和生命財產(chǎn)帶來巨大的威脅。因此，積極開展爆炸及其作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)分析研究具有非常重要的意義。而加筋板架結(jié)構(gòu)是艦船中最為常見的形式（如雙層底、舷側(cè)、甲板結(jié)構(gòu)），爆炸作用下加筋板架的變形及失效模式研究，是大型結(jié)構(gòu)物中局部結(jié)構(gòu)毀傷研究的重要內(nèi)容。目前，此方面研究正引起世界各國的重視，也取得了許多顯著的研究成果。然而，隨著形勢的發(fā)展，許多新的挑戰(zhàn)不斷涌現(xiàn)，至今尚有很多問題需要人們解決，我們應(yīng)在前人工作的基礎(chǔ)上不斷加緊研究工作的開展，以滿足艦船結(jié)構(gòu)的抗爆要求。

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Review for Deformation and Fracture Behavior of Ship Stiffened Plate Subjected to Blast Loading

Yao Xiong-liang Yang Shu-tao Zhang A-man
College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

Research on the deformation and fracture behavior of ship stiffened plate subjected to the blast loading is widely concerned，and a lot of achievements have been made in the engineering field in China and other countries in recent years.An overview about research results that have been achieved is presented from three aspects including theoretical research，experimental research and numerical simulation.Present focus and perspectives of the research are analyzed.

framed plate structure；fracture；hull deformation；blast；overview

U661.44

：A

：1673－3185（2009）01－01－07

2008－11－22

國家自然科學(xué)基金（50779007）；國際科技合作項(xiàng)目（2007DFR80340）

姚熊亮（1963－），男，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)動力學(xué)。E-mail：saibei8411＠163.com楊樹濤（1984－），男，碩士。研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)性能與安全。E-mail：shutaoyang2008@hotmail.com