艙室內(nèi)爆載荷作用下夾層板優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

陳 攀，劉志忠

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)試驗(yàn)室，湖北 武漢 430064)

艙室內(nèi)爆載荷作用下夾層板優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

陳 攀，劉志忠

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)試驗(yàn)室，湖北 武漢 430064)

艙室內(nèi)戰(zhàn)斗部爆炸產(chǎn)生的沖擊波是艙室結(jié)構(gòu)板架承受的主要載荷之一，艙室內(nèi)爆沖擊波在艙室內(nèi)部將發(fā)生多次反射，并在艙室內(nèi)部形成持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的準(zhǔn)靜態(tài)壓力，在此過程中艙室板架承受多次沖擊波反射載荷。本文以艙室典型加筋板為對(duì)象進(jìn)行夾層板概念設(shè)計(jì)，選取面板厚度、背板厚度、夾芯壁厚及夾芯間距 4 個(gè)參數(shù)作為試驗(yàn)參數(shù)，以抗爆綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)最小為目標(biāo)，采用正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法得到該加筋板結(jié)構(gòu)在艙室內(nèi)爆沖擊波載荷作用下最優(yōu)抗爆性能的夾層板結(jié)構(gòu)，并對(duì)比最優(yōu)夾層板與普通加筋板在艙室內(nèi)爆載荷作用下的響應(yīng)特征。研究表明，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的夾層板具有更好抵抗沖擊波載荷的能力，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)能較好適用于夾層板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

艙室內(nèi)爆；夾層板；優(yōu)化設(shè)計(jì)；抗爆性能

0 引 言

艦船艙室是一個(gè)封閉的環(huán)境，炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波在艙室內(nèi)的作用機(jī)理與在敞開環(huán)境下的作用機(jī)理很不一樣，敞開環(huán)境下結(jié)構(gòu)僅承受初始沖擊波，而艙室內(nèi)爆沖擊波在艙室內(nèi)反射明顯，艙室板架承受沖擊波多次反射作用。Zyskowski 等[1]開展了系列小當(dāng)量TNT 艙室內(nèi)爆炸試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算研究，Wu 等[2]開展了封閉空間內(nèi)不同藥量圓柱形與球形炸藥爆炸沖擊波試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，艙室內(nèi)爆炸沖擊波載荷與艙室內(nèi)部尺寸，戰(zhàn)斗部 TNT 當(dāng)量，艙室壁面上泄爆孔（包括板架在載荷作用下形成破口）面積等參數(shù)相關(guān)。

加筋板結(jié)構(gòu)是船舶、飛機(jī)等鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)形式，但加筋板架單層結(jié)構(gòu)型式對(duì)艦船內(nèi)部的重要設(shè)備和人員防護(hù)效果較差。相比之下，夾層板結(jié)構(gòu)具有比強(qiáng)度高、比剛度大等優(yōu)點(diǎn)，在航空、汽車、船舶等領(lǐng)域的應(yīng)用研究引起眾多學(xué)者的重視。夾層板按照夾芯層材料種類可分為復(fù)合材料夾層板和金屬夾層板兩類，復(fù)合材料夾層板由 FRP、PVC、泡沫等夾芯材

料與金屬材料層鋪粘結(jié)而成；金屬夾層板由金屬前后面板與金屬夾芯層通過粘結(jié)或焊接而成。根據(jù)芯層的結(jié)構(gòu)樣式有蜂窩式夾芯層、折疊式夾芯層、桁架式夾芯層等。Wadley 等[3]對(duì)多層桁架式夾芯夾層板在水下爆炸載荷作用下的響應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)研究；Mori[4]開展了四邊形蜂窩芯材與方形截面金字塔桁架芯材 2 種夾層板在沖擊波載荷作用下響應(yīng)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，與相同重量的平板相比，2 種夾層板在相同沖擊波載荷下背板中點(diǎn)變形減小 30%，夾層板失效模式有芯材壓壞，芯材支撐點(diǎn)處面板凸起，面板撕裂等。Dharmasena等[5～6]也開展了四邊形蜂窩芯材及金字塔桁架芯材 2 種夾層板與實(shí)板在沖擊波載荷作用下的響應(yīng)試驗(yàn)對(duì)比研究，結(jié)果表明夾層板能明顯減小背板中點(diǎn)變形。王自力等[7]對(duì)艦船底部夾層板抗水下爆炸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行，研究表明夾芯層對(duì)抗沖擊性能有明顯影響。

鋼質(zhì)芯材夾層板由前后面板、中間芯材組成，各構(gòu)件不同參數(shù)設(shè)置對(duì)夾層板抗毀傷性能的影響規(guī)律是目前研究的重點(diǎn)，Zhang 等[7～9]對(duì) V 形芯材的夾層板在空爆載荷作用下的響應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算研究，考慮面板厚度、背板厚度、V 形芯材厚度，V 形芯材夾角、芯材高等等因素對(duì)夾層板抗爆性能的影響；Alberdi 等[10]對(duì) V 形芯材、Y 形芯材、菱形芯材、六角形芯材、方形芯材及三角形芯材共 6 種不同樣式芯材夾層板的抗爆性能進(jìn)行研究，對(duì)不同面板、背板厚度對(duì)夾層板抗爆性能的影響進(jìn)行分析。于輝等[11]從能量吸收角度計(jì)算不同六棱柱蜂窩夾層板在水下爆炸載荷作用下的響應(yīng)，篩選結(jié)構(gòu)損傷最小的夾層板板型，得到一種優(yōu)化的夾層板模型。鄧?yán)赱12]對(duì)方孔蜂窩夾層板在爆炸沖擊載荷下的變形機(jī)理和吸能特性進(jìn)行了分析，討論了夾層板芯層薄壁間距、厚度、高度以及面板厚度對(duì)其各部分吸能率的影響。隨著夾層板結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，夾層板結(jié)構(gòu)研究將得到越來越多的關(guān)注。

本文以典型加筋板為研究對(duì)象，對(duì)加筋板進(jìn)行夾層板概念設(shè)計(jì)，采用正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法分析方形蜂窩夾層板結(jié)構(gòu)參數(shù)，面板厚度、背板厚度、夾芯壁厚、夾芯間距對(duì)夾層板結(jié)構(gòu)抗艙室內(nèi)爆沖擊波載荷作用的防護(hù)性能的影響規(guī)律，根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到抗爆性能較優(yōu)的方形蜂窩夾層板結(jié)構(gòu)尺寸，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 典型加筋板計(jì)算模型

文獻(xiàn)[13]對(duì)船體加筋板在爆炸載荷作用下的響應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)與數(shù)值分析，其加筋板區(qū)域 1.2 m × 1.2 m，加筋板板厚 3.5 mm，縱向有 2 根強(qiáng)構(gòu)件，尺寸為腹板 125 mm × 3 mm，面板 65 mm × 3 mm，橫向有 7 根 5 號(hào)球扁鋼（均布，間距為 150 mm）。本文計(jì)算艙室壁面參考其加筋板區(qū)域，選取艙室體積為（1.2 × 1.2 × 1.2）m3，艙室瀉爆孔半徑為 100 mm，計(jì)算模型見圖 1 所示，其中空氣域隱藏一半?yún)^(qū)域。計(jì)算模型艙室一壁面為加筋板結(jié)構(gòu)，加筋板與艙內(nèi)空氣采用耦合實(shí)現(xiàn)相互作用，其他 5 個(gè)壁面假設(shè)為剛性壁面。

圖1 加筋板艙室內(nèi)爆響應(yīng)計(jì)算模型Fig.1 Simulation model of stiffened plate under blast inside cabin

本文采用 Autodyn 計(jì)算艙室內(nèi)爆炸載荷，采用Euler-FCT 求解器，計(jì)算炸藥為球形，當(dāng)量為 2.24 kg，則球形炸藥半徑為 68.98 mm，球形炸藥可首先在一維空間中模擬球形炸藥爆炸，當(dāng)爆炸沖擊波接近壁面時(shí)停止計(jì)算，采用映射方法將一維計(jì)算結(jié)果映射到三維空間繼續(xù)計(jì)算。

數(shù)值計(jì)算中艙室內(nèi)空氣采用理想氣體，其狀態(tài)方程為：

式中：γ，ρ，e 分別為空氣的比熱比、密度與內(nèi)能，計(jì)算中取值為 γ = 1.4，ρ = 1.225 × 10–3g/cm3，e = 2.068 × 105μJ。

炸藥采用 JWL 狀態(tài)方程：

其中 C1，C2，r1，r2為常數(shù)，具體參數(shù)見表 1。

炸藥距加筋板距離為 500 mm，空間內(nèi)沖擊波在近場(chǎng)（距離在 10 倍炸藥半徑 689.8 mm 以內(nèi)）傳播，其

精度決定后續(xù)壓力準(zhǔn)確度，首先比較不同網(wǎng)格密度（一維）的計(jì)算結(jié)果，一維楔形計(jì)算域半徑取 500 mm，炸藥置于中心，（見圖 2），在相應(yīng)區(qū)域布置壓力測(cè)點(diǎn)。壁面作用載荷是關(guān)心的重點(diǎn)，選擇最靠近壁面的測(cè)點(diǎn)壓力評(píng)估，因此選取測(cè)點(diǎn) 9（距壁面 100 mm）與測(cè)點(diǎn) 10（距壁面 50 mm）的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，具體數(shù)值計(jì)算結(jié)果見表 2。

表1 TNT 炸藥 JWL 狀態(tài)方程參數(shù)Tab.1 Parameters of equation of state of TNT

圖2 沖擊波一維計(jì)算Fig.2 Simulation model of shock wave

表2 不同網(wǎng)格密度測(cè)點(diǎn)壓力峰值Tab.2 Pressure peak under different mesh sizes

從表 2 可知，隨著網(wǎng)格密度增加，計(jì)算精度越來越高，但是網(wǎng)格密度增加帶來的是計(jì)算效率的降低，因此對(duì)不同網(wǎng)格密度測(cè)點(diǎn)壓力峰值進(jìn)行前后比較，根據(jù)計(jì)算結(jié)果前后對(duì)比誤差分析，選取網(wǎng)格密度為 25 000 的計(jì)算結(jié)果為映射載荷，該網(wǎng)格密度下與 10 000網(wǎng)格密度計(jì)算結(jié)果誤差最小。將一維計(jì)算結(jié)果映射到三維歐拉域，計(jì)算艙室空間尺寸為 1.2 m × 1.2 m × 1.2 m，考慮加筋板變形后歐拉域仍然能耦合加筋板，在空間Z 向歐拉域尺寸為 1.4 m，則保證加筋板最大變形200 mm 時(shí)歐拉域仍然能與加筋板耦合。三維空間網(wǎng)格最終選取 48 × 48 × 56，共 129 024 個(gè)歐拉單元。加筋板邊界采用簡(jiǎn)支約束，瀉爆孔區(qū)域采用流出邊界實(shí)現(xiàn)，計(jì)算瀉爆孔位于某壁面正中心，圖 1 圖形灰色區(qū)域即為瀉爆孔。

結(jié)構(gòu)材料采用雙線性彈塑性本構(gòu)模型描述，應(yīng)變率效應(yīng)由 Cowper-Symonds 模型描述，動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度表達(dá)式為：

式中：σ0為靜態(tài)屈服強(qiáng)度；Eh為應(yīng)變硬化模量；εP為有效塑性應(yīng)變； 為有效應(yīng)變率；D 和 n 為常數(shù)，材料失效模型采用最大塑性應(yīng)變失效。計(jì)算中假設(shè)結(jié)構(gòu)的材料為低碳鋼，其材料參數(shù)如表 3 所示。

表3 Cowper-Symonds 本構(gòu)模型參數(shù)Tab.3 Cowper-Symonds constitutive model

2 夾層板設(shè)計(jì)

夾層板結(jié)構(gòu)可減小重量，并具有良好的設(shè)計(jì)性，已廣泛應(yīng)用各類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。各船級(jí)社也制定夾層板船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范，其中涉及到強(qiáng)度、穩(wěn)定性、屈曲以及制造、焊接、安裝等各方面，本文僅從結(jié)構(gòu)抗沖擊角度進(jìn)行夾層板架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析。圖 3 所示為本文加筋板板架，圖 4 所示為夾層板設(shè)計(jì)示意圖。

圖3 典型加筋板Fig.3 Typical stiffened plate

圖 4 夾 層板Fig.4 Square honeycomb sandwich panel

夾層板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路為：首先保證結(jié)構(gòu)重量不變或者減小，而且不明顯影響艙容的前提條件下，將船體結(jié)構(gòu)中加筋板架設(shè)計(jì)成夾層板，面板與背板代替船底外板、方形夾芯層代替弱骨材，夾層板設(shè)計(jì)時(shí)以強(qiáng)構(gòu)件為邊界，因此強(qiáng)構(gòu)件不變。具體設(shè)計(jì)思路如下：夾層板長(zhǎng)寬尺寸與加筋板架的長(zhǎng)寬尺寸相同；夾芯層高度與弱骨材等效高度相同，夾層芯材間距不宜太小，保證能施工；夾層板質(zhì)量與加筋板原始質(zhì)量相等或更小，強(qiáng)構(gòu)件尺寸不變[14]。本文夾層板概念設(shè)計(jì)加筋板板等效為面板及背板，面板、背板厚度均為

1.75 mm，夾芯高度為 50 mm，夾芯厚度及邊長(zhǎng)根據(jù)板架縱骨質(zhì)量選取，保證芯材質(zhì)量與弱骨材質(zhì)量相等，則根據(jù)芯材不同邊長(zhǎng)可以確定芯材厚度。

3 夾層板抗爆正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

夾層板有面板厚度、背板厚度、芯材壁厚及芯材間距共 4 個(gè)變量，這些變量對(duì)夾層板抗爆性能均有影響，需要對(duì)各個(gè)影響參數(shù)進(jìn)行分析得到抗爆性能最優(yōu)的夾層板結(jié)構(gòu)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是利用正交表科學(xué)地安排與分析多因素相互影響的方法，是較常用的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。用正交試驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單、可行，且試驗(yàn)計(jì)算次數(shù)會(huì)大幅度減小，大幅度減少計(jì)算及分析工作量。本文夾層板正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)選取面板厚度 A、背板厚度 B、夾芯壁厚 C、夾芯間距 E 四個(gè)參數(shù)作為試驗(yàn)因素，對(duì)每個(gè)試驗(yàn)因素分別取 4 個(gè)水平值，厚度水平值以概念設(shè)計(jì)厚度值為參考，分別選取該值相近厚度，以 0.5 mm 為間隔，夾芯間距以能進(jìn)行施工為原則，選取最小間距為 80 mm，因強(qiáng)構(gòu)件間隔400 mm，則夾芯最大間距為 200 mm。選用L16（45）正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析，分析并討論各試驗(yàn)因素對(duì)夾層板抗爆性能的影響。

3.1 正交試驗(yàn)表試驗(yàn)

根據(jù)方形蜂窩夾層板結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸、設(shè)計(jì)因素及設(shè)計(jì)因素水平選取 L16（45）正交表安排試驗(yàn)，如表 4所示。采用 Autodyn 對(duì)各組夾層板進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，各工況計(jì)算載荷、邊界、艙室模型同第 1 節(jié)計(jì)算模型。

艙室內(nèi)爆載荷作用下夾層板發(fā)生響應(yīng)，夾層板響應(yīng)數(shù)據(jù)有位移、速度、加速度、應(yīng)變及應(yīng)力及吸能等多項(xiàng)數(shù)據(jù)，夾層板的抗爆性能要綜合分析夾層板的應(yīng)力、應(yīng)變、位移及變形及吸能等參數(shù)，采用線性加權(quán)評(píng)估得到的夾層板抗爆防護(hù)性能的綜合指標(biāo) f 作為指標(biāo)：

式中：f1，f2，f3，f4，f5分別為位移、吸能、速度、加速度及結(jié)構(gòu)重量的隸屬度；α，β，γ，ζ，λ 為各無因次指數(shù)的權(quán)重，根據(jù)文獻(xiàn)[14]結(jié)論，結(jié)構(gòu)的重量與位移同等重要，權(quán)重系數(shù)取相同，取 α = 0.4，β = 0.15，γ = 0.035，ζ = 0.015，λ = 0.4。對(duì)于夾層板結(jié)構(gòu)，各指標(biāo)越小夾層板的防護(hù)性能越好，試驗(yàn)指標(biāo)的綜合防護(hù)指標(biāo)越小越好。

表4 夾層板正交試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)Tab.4 Orthogonal test of sandwich panel

表5 夾層板正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.5 Orthogonal test of sandwich panel

采用 Autodyn 對(duì)方形蜂窩夾層板正交試驗(yàn) 16 種方案進(jìn)行計(jì)算，提取面板結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)處位移、速度、加速度響應(yīng)值，然后計(jì)算面板中點(diǎn)位移、速度、加速度

的隸屬度，各物理量隸屬度的定義為：隸屬度 =（指標(biāo)值 – 指標(biāo)最小值）/（指標(biāo)最大值 – 指標(biāo)最小值）。夾層板結(jié)構(gòu)的吸能為塑性變形后夾層板結(jié)構(gòu)總吸能。根據(jù)計(jì)算結(jié)果的極差大小來確定因素影響作用的主次順序，極差大則該因素的影響最重要。按上訴方法分析表 4 計(jì)算結(jié)果，如表 6 所示，D 為空列，其中：Ki表示同一列水平號(hào)為 i 的指標(biāo)值之和，ki= Ki/4；極差

3.2 結(jié)果分析

從表 4～表 5 結(jié)果可知，影響方形蜂窩夾層板結(jié)構(gòu)抗爆防護(hù)性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)主次順序依次為：夾芯間距、夾芯壁厚、背板厚度、面板厚度。夾層板面板、背板厚度對(duì)應(yīng)的極差相差 0.02，表明面板、背板板厚度對(duì)夾層板結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響程度相當(dāng)。k1，k2，k3，k4中最小值對(duì)應(yīng)的參數(shù)水平為該參數(shù)的較優(yōu)水平，選取各參數(shù)的較優(yōu)水平，則在艙室內(nèi)爆沖擊波載荷作用下，方形蜂窩夾層板最優(yōu)的尺寸組合為面板厚度為 2 mm，背板厚度為 2.5 mm，夾芯壁厚為 2.5 mm，夾芯間距為 200 mm。表 6 中的空白列極差為 0.08 為極差值中最小者，表明選取的 4 個(gè)因素之間的相互影響程度較小，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 4 個(gè)因素之間的交互影響較小。

表6 優(yōu)化結(jié)果及分析Tab.6 Result and discussion

4 對(duì)比分析

4.1 與概念方案對(duì)比

根據(jù)正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的較優(yōu)夾層板結(jié)構(gòu)尺寸方案，計(jì)算該尺寸夾層板結(jié)構(gòu)在艙室內(nèi)爆載荷作用下面板及背板中心點(diǎn)的位移、速度、加速度，并統(tǒng)計(jì)整個(gè)夾層板的吸能等結(jié)果，并與 4 種概念設(shè)計(jì)夾層板對(duì)比，概念?yuàn)A層板夾芯間距分別取 80 mm、100 mm、133 mm 和 200 mm，夾芯厚度根據(jù)質(zhì)量相等來確定，計(jì)算結(jié)果如表 7 所示。

從表 7 對(duì)比結(jié)果可知采用正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的最優(yōu)夾層板比概念設(shè)計(jì)得到的夾層板在抗爆性能上有明顯優(yōu)勢(shì)，采用優(yōu)化得到的夾層板在相同艙室內(nèi)爆載荷作用下其最大變形值最小，中心測(cè)點(diǎn)速度及加速度響應(yīng)也維持在較低水平，但是其吸能并未明顯較低，相比較于夾芯間距為 80 mm，100 mm 及 133 mm的夾層板，優(yōu)化夾層板的變形較這些夾層板小，但是吸能卻比這些夾層板大，表明本文采用的正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在夾層板設(shè)計(jì)有較好效果。

表7 夾層板對(duì)比分析Tab.7 Contrastive analysis of sandwich panels

4.2 與加筋板對(duì)比

對(duì)優(yōu)化后夾層板與加筋板在艙室內(nèi)爆載荷作用下的響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，艙室模型仍然同第一節(jié)模型，對(duì)比夾層板與加筋板測(cè)點(diǎn)速度、加速度、位移，并對(duì)比整個(gè)結(jié)構(gòu)的吸能值（見表 8），夾層板取面板中心點(diǎn)數(shù)據(jù)。

從表 8 可知，優(yōu)化后的夾層板在相同艙室內(nèi)爆載荷作用下，變形減小 25.63 mm，面板中心測(cè)點(diǎn)最大速度減小 3.7 m/s，但是吸能卻保持與加筋板相同的水平，表明夾層板在變形更小的情況下，能保證與加筋板有相同的塑性吸能效果。優(yōu)化后的夾層板擁有更好的抗爆性能。

圖 5 為優(yōu)化夾層板與加筋板截面變形曲線，截面與強(qiáng)構(gòu)件軸向垂直，從圖中可知相比較于加筋板，夾層板結(jié)構(gòu)大幅度減小截面變形，夾層板面板與背板變形曲線非常接近，差值很小，表明面板背板之間的夾芯并未發(fā)生明顯屈曲。圖 6 為夾層板與加筋板板格中心測(cè)點(diǎn)位移曲線對(duì)比，從中可知優(yōu)化后夾層板抵抗艙室內(nèi)爆沖擊波的性能更好。圖 7 為中心測(cè)點(diǎn)速度曲線，因?yàn)?2 個(gè)模型受到的載荷完全一樣，夾層板與加筋板中心測(cè)點(diǎn)的趨勢(shì)一致，但夾層板測(cè)點(diǎn)速度峰值更小，且在 0～2 ms 內(nèi)的回彈量更大，這也是夾層板變形

小的原因。圖 8 為夾層板與加筋板中心測(cè)點(diǎn)加速度曲線對(duì)比，加筋板測(cè)點(diǎn)加速度曲線峰值較夾層板大，積分則是速度峰值也大，優(yōu)化后的夾層板有較好的抗爆性能。

表8 優(yōu)化夾層板與加筋板抗爆性能對(duì)比分析Tab.8 Contrastive analysis between optimal sandwich panel and stiffened plate

圖5 中心截面變形曲線Fig.5 Deformation curves of cross sections

5 結(jié) 語

基于典型加筋板板架進(jìn)行了方形蜂窩夾層板概念設(shè)計(jì)，并采用正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，考慮以?shī)A層板在艙室內(nèi)爆沖擊波載荷作用下響應(yīng)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)為依據(jù)，對(duì)夾層板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)得到的優(yōu)化夾層板與加筋板在艙室內(nèi)爆載荷作用下的響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

圖6 中心測(cè)點(diǎn)位移曲線Fig.6 Deformation curves of center points

圖7 中心測(cè)點(diǎn)速度曲線Fig.7 Velocity curves of center points

圖8 中心測(cè)點(diǎn)加速度曲線Fig.8 Acceleration curves of center points

1）艙室內(nèi)爆計(jì)算由于沖擊波在近場(chǎng)內(nèi)傳播，在計(jì)算時(shí)為保證艙室內(nèi)爆計(jì)算準(zhǔn)確度，有必要采用映射方法對(duì)艙室內(nèi)爆沖擊波進(jìn)行模擬。

2）正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法能有效運(yùn)用于夾層板抗爆性能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，計(jì)算量小，得到的優(yōu)化夾層板抗爆性能較好。

3）方形蜂窩夾層板結(jié)構(gòu)抗艙室內(nèi)爆沖擊波性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)主次度分別為夾芯間距、夾芯壁厚、背板厚度及面板厚度，在夾層板抗爆性能設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意。

夾層板優(yōu)化后在抗爆性能較加筋板架有較大提高，但艙室夾層板設(shè)計(jì)還要考慮艙容、強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性等問題，在夾層板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。

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Optimal design of anti-shock capability of sandwich panel under explosion loading inside closed cabin

CHEN Pan, LIU Zhi-zhong
(China Ship Development and Design Center, National Key Laboraory on Ship Vibiration and Noise, Wuhan 430064, China)

Explosive loading is one of the loadings of warship structural under anti-ship missile, in case of explosive inside closed cabin, except for the first shock wave, warship structural suffer multiple reflection shock waves, and for enclosed environment of cabin, quasi-static pressure will continue for some time. Optimal design of square hole honeycomb sandwich panel by orthogonal test under explosion loading inside closed cabin was done, the panel thickness, backing plate thickness, sandwich thickness and sandwich space are acted test parameters, the minimum comprehensive performance evaluation index of anti-shock capability is the target, and to get the best anti-shock capability sandwich panel, the response of the best sandwich panel and stiffened plate under explosion loading inside closed cabin were compared, the research shows that the optimal sandwich panel has better anti-shock capability, and orthogonal test can be used for design of sandwich panel.

explosion inside closed cabin；sandwich panel；optimal design；anti-shock capability

O389

A

1672 – 7619(2016)11 – 0014 – 07

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.011.003

2015 – 11 – 11；

2016 – 01 – 30

陳攀(1989 – )，男，助理工程師，研究方向?yàn)榇敖Y(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)。