近爆載荷作用下液艙的吸能研究

李思宇，李曉彬，趙鵬鐸，胡翔

1武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北武漢430063

2海軍裝備研究院，北京100073

近爆載荷作用下液艙的吸能研究

李思宇1，李曉彬1，趙鵬鐸2，胡翔1

1武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北武漢430063

2海軍裝備研究院，北京100073

為研究近距爆炸載荷作用下液艙各部分的吸能情況，根據(jù)實驗建立數(shù)值仿真模型，研究在有無液體、不同厚度比和不同水層厚度條件下艙室變形和各部分吸能的占比情況。結(jié)果表明，液體介質(zhì)的存在改變了液艙的吸能模式，液艙總吸能主要受到艙室外壁厚度和水層厚度的影響，厚度比和水層厚度的變化對艙壁變形模式和爆炸能量在液艙各部分的占比有一定影響。對液艙各部分吸能機理的闡述，可作為液艙設(shè)計的參考依據(jù)。

近距爆炸；防護液艙；沖擊；吸能

0 引 言

大型水面艦船水下舷側(cè)常設(shè)有防護水艙，主要作用是針對魚雷和水雷的局部接觸、近距離非接觸爆炸，以及穿甲式、射流破甲式魚雷在艙室內(nèi)部爆炸的情況，保護內(nèi)部彈藥艙、動力艙等重要艙室免遭破壞。開展沖擊波作用下液艙的吸能研究，可為艦船防護液艙設(shè)計提供借鑒。

對液艙抗爆問題的研究早在二戰(zhàn)前后就已經(jīng)開始，但由于其軍事敏感性，國外公開的文獻不多［1-2］。國內(nèi)對此類問題的研究開展較晚，朱錫等［3-4］對艦船水下多層防護結(jié)構(gòu)進行了系列的水下接觸爆炸模型的實驗研究。杜志鵬等［5］在適當(dāng)假設(shè)的基礎(chǔ)上，對液艙壁在近爆載荷作用下的響應(yīng)進行了理論推導(dǎo)。張倫平等［6］通過模型實驗，分析了爆炸載荷能量與結(jié)構(gòu)總吸能的比例關(guān)系，以及藥量、結(jié)構(gòu)參數(shù)對總吸能分配的影響。張婧等［7］通過數(shù)值仿真方法對三層板殼結(jié)構(gòu)在水下爆炸作用下的動態(tài)響應(yīng)進行了研究，并分析了液面高度的影響。唐廷等［8］采用流固耦合方法對實艙模型在水下接觸爆炸載荷作用下的變形和破壞進行了研究。

為了研究液艙對爆炸沖擊波能量的吸收機理，基于能量守恒，擬對近爆載荷作用下，液艙吸收的爆炸能量進行理論研究。在模型實驗的基礎(chǔ)上，建立液艙在近爆載荷作用下的流固耦合模型，討論有無液體、不同厚度比和不同水層厚度條件下，液艙艙壁的變形情況和各部分吸能比例的變化，為液艙設(shè)計提供相關(guān)依據(jù)。

1 液艙吸收的爆炸能量

施加在液艙外壁上的近爆載荷可以表示為［9］

式中：pm為作用在外板的最大壓力；μ為裝藥形狀系數(shù)，球形為3，柱形為2，平面裝藥為1；w為瞬時爆轟平均壓力；Rw為裝藥半徑；R為炸藥中心與外板的垂直距離；α為爆炸產(chǎn)物噴流角；t為某一時刻；τ為正壓持續(xù)時間。

由式（1），根據(jù)沖量定理可得液艙外壁上任一點的比沖量

液艙外壁表面受到爆炸沖擊載荷作用時，其背面有水，需要考慮水體擾動的影響。水體的影響采用等效質(zhì)量來描述，水的擾動隨時間向縱深方向發(fā)展，因此等效質(zhì)量的增加也隨時間變化。假設(shè)板后任一質(zhì)點的水體與板同步運動，考慮厚度為c0τ的水的響應(yīng)，其中c0為水中聲速，則受擾動質(zhì)點的質(zhì)量為根據(jù)動量守恒原理得到外壁由反射比沖量引起的速度響應(yīng)為

假設(shè)作用在結(jié)構(gòu)表面的壓力被完全吸收且轉(zhuǎn)化為板和水體的初始動能，則作用到結(jié)構(gòu)上的總能量可表示為

式中，r為載荷作用半徑，取積分上限l=1/2L，L為板的短邊長度。式（4）表明，當(dāng)考慮板后水體的擾動時，液艙的總體吸能減少了。將式（4）積分，可得液艙吸收的總能量的表達(dá)式為

2 仿真模型及方法驗證

2.1 實驗?zāi)Ｐ?/p>

實驗?zāi)Ｐ褪浅叽鐬?00 mm×500 mm的Q235鋼板。鋼板通過螺栓和框架夾具面板固定在鋼制立方體爆炸筒的端面，立方體筒的尺寸為400 mm× 400 mm×200 mm。為了模擬艦船液艙，需要在筒內(nèi)注水，因此在鋼板和立方體筒端面之間附加一層橡膠墊，以防止液體泄漏。每個鋼板通過32個螺栓與立方體筒連接，保證四邊固支的邊界條件。夾具面板四邊預(yù)留一定寬度，用以固定鋼板，因此鋼板實際迎爆面積為400 mm×400 mm。如圖1所示，將液艙模型安置在事先做好的支架上，炸藥通過繩子固定在液艙外壁的中心位置，爆距為200 mm。炸藥類型選用TNT炸藥，藥量為200 g，板厚為2.5 mm。

圖1 實驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)和實體圖Fig.1 Test model structure and entity graph

2.2 仿真參數(shù)及方法驗證

基于實驗?zāi)Ｐ?，采用非線性動力分析軟件AUTODYN建立了1/2的對稱模型（圖2）。理想氣體和水域采用歐拉流體單元建立，液艙內(nèi)外壁用拉格朗日殼單元建立，采用全流固耦合算法計算。板采用四邊固支邊界條件，空氣域設(shè)置流出邊界條件。在外壁中心到邊界處以20 mm為間距設(shè)置11個測點（圖2）。艙壁材料采用Q235鋼，考慮應(yīng)變率強化效應(yīng)，材料的動態(tài)流動應(yīng)力采用J-C強度模型，具體材料參數(shù)如表1所示。其中，A，B，n，c，m為材料參數(shù)。

圖2 數(shù)值仿真模型Fig.2 Simulation model

表1 模型參數(shù)Table 1 Model parameters

圖3為實驗板實際變形，圖4為仿真與實驗得到的橫截面撓度曲線的對比。對比結(jié)果表明，仿真結(jié)果與實驗曲線的一致性較好，仿真結(jié)果稍大于實驗結(jié)果，最大撓度值誤差為5.8%。靠近邊界處的板撓度差異較大，這是由于實驗的邊界條件不可能完全固支所致。說明采用本文的仿真模型研究液艙的吸能問題時，得到的結(jié)論是可靠的。

圖3 液艙外壁變形Fig.3 Deformation of front bulkhead

圖4 仿真與實驗對比Fig.4 Contrast of simulation and experimental results

3 液艙吸能研究

3.1 有無液體的影響

圖5為計算至3 ms時，有無液體介質(zhì)液艙艙壁的變形模式對比。可以看出，無液體時艙室外壁產(chǎn)生了整體塑性大變形，類似空背板的變形模式，而艙室內(nèi)壁變形很小，對吸能的貢獻很低；有液體時，艙室外壁僅發(fā)生局部的塑性變形，內(nèi)壁在水體的擾動下產(chǎn)生了整體的塑性變形，且變形大于外壁，兩者總體變形量小于無液體艙室。此時液艙內(nèi)壁仍有速度，隨著動能逐漸向變形能轉(zhuǎn)化，液艙內(nèi)壁最終也將發(fā)展為“中心鼓包”形式［10］。其原因為無液體介質(zhì)時，艙室主要靠艙壁的變形吸收爆炸能量，這種情況下，艙室外壁相當(dāng)于對沖擊載荷起到了“阻斷作用”，容易產(chǎn)生拉伸撕裂破壞［11］；而有液體介質(zhì)時，水的可壓縮性使得作用在一部分介質(zhì)上的壓力以高速而有限的波動形式傳遞給其他質(zhì)點，導(dǎo)致大量能量被水體吸收，并將一部分能量傳遞給液艙內(nèi)壁。結(jié)果表明，液體介質(zhì)通過自身的吸能降低了艙壁的變形量，并改變了其變形模式，通過將沖擊載荷的吸收和彌散，將液艙內(nèi)外壁有機聯(lián)系起來。

圖5 有無液體介質(zhì)艙壁變形模式Fig.5 Deformation mode of bulkhead

圖6為有無液體介質(zhì)時液艙在近爆載荷作用下的能量轉(zhuǎn)化曲線。可以看出，無液體介質(zhì)時，爆炸能量主要被艙室外壁吸收轉(zhuǎn)化為其動能和變形能；有液體介質(zhì)時，液艙整體的吸能降低了約60%，其中艙壁吸收的爆炸能量僅為無液體介質(zhì)時的11%左右，有超過70%的能量被水體吸收，外壁僅吸收了不到4%的能量，內(nèi)壁約吸收了26%的能量。被吸收的能量大部分轉(zhuǎn)化為水體的動能和勢能，部分轉(zhuǎn)化為艙壁的動能和變形能。說明艙內(nèi)液體改變了爆炸能量在液艙中的分散效果，由原先主要由外壁承擔(dān)變?yōu)閮?nèi)外壁和液體共同承擔(dān)，并通過三者之間的相互作用使大量能量通過水體的振動和激蕩，最終以熱能的形式消耗。

圖6 能量轉(zhuǎn)化Fig.6 Energy transformation

3.2 厚度比的影響

文獻［5］和本文的研究都表明，在近爆載荷作用下，液艙內(nèi)壁的變形大于液艙外壁，應(yīng)考慮對內(nèi)壁進行加厚處理。定義液艙內(nèi)壁和外壁厚度的比值為厚度比。壁通過形變達(dá)到吸能效果，增加內(nèi)壁的厚度勢必會影響到爆炸能量在液艙中的彌散效果，因此，需要對厚度比的影響進行探究。圖7為計算至1 ms時，不同厚度比液艙艙壁變形的對比?？梢钥闯?，厚度比的變化并未改變艙壁的整體變形趨勢，雖然該時刻艙壁尚未達(dá)到最終變形，但隨著厚度比的提升，液艙內(nèi)壁的變形發(fā)展速度逐漸減緩；液艙外壁的總變形量也略有降低，但由于外壁厚度不變，因此對吸能的影響較小。

圖8為不同厚度比的液艙吸能對比?？梢钥闯?，兩者的變化規(guī)律基本一致。以厚度比為2∶3的能量曲線為例，在近爆載荷作用下，艙室外壁的能量首先增加，在0.1 ms時就達(dá)到峰值，約0.18 ms時外壁的動能全部轉(zhuǎn)化，僅剩余變形能；水體中的能量在0.06 ms時開始迅速增加，約在0.18 ms時到達(dá)峰值，此時沖擊載荷已到達(dá)液艙內(nèi)壁，內(nèi)壁的能量開始上升；0.26 ms時，水體和內(nèi)壁之間的能量轉(zhuǎn)換結(jié)束，內(nèi)壁中能量基本穩(wěn)定，而水體中能量呈平穩(wěn)下降趨勢。厚度比為1∶1時，增加厚度比對液艙總的吸能和外壁吸能影響很小，但液艙內(nèi)壁吸能增加了約32%，當(dāng)厚度比增加至1∶2時，液艙內(nèi)壁吸能增加了約54%。結(jié)果表明，增加內(nèi)壁厚度有利于減小液艙內(nèi)壁的變形，同時增加內(nèi)壁的吸能效果，液艙設(shè)計時應(yīng)考慮一定的厚度比。

圖8 不同厚度比液艙吸能對比Fig.8 Contrast of energy absorption mode of liquid tank

3.3 水層厚度的影響

圖9為計算至1 ms時，不同水層厚度時液艙艙壁的變形對比?？梢钥闯?，水層厚度對艙壁變形產(chǎn)生了較大的影響。當(dāng)水層厚度由100 mm增加至300 mm時，液艙外壁變形量有先減小后增大的趨勢，其變形模式也發(fā)生了改變。當(dāng)水層較薄時，艙壁呈近似整體塑性大變形趨勢，隨著水層加厚，艙壁的中心隆起變形越來越明顯，說明增加水層厚度使外壁的變形局部效應(yīng)更加突出。液艙內(nèi)壁在水層較薄時的變形迅速發(fā)展為中心隆起形式，水層厚度增加后，其變形發(fā)展趨勢變緩，但隨著水層厚度的繼續(xù)增加，其變形趨勢沒有明顯改變。水層較厚時，作用在液艙內(nèi)壁上的沖擊波近似為平面波，隨著傳播距離減小，載荷作用的局部效應(yīng)逐漸增強，導(dǎo)致液艙內(nèi)壁變形發(fā)展模式改變，進而對其最終變形量產(chǎn)生影響。

圖9 不同水層厚度的液艙艙壁變形對比Fig.9 Contrast of deformation mode of bulkhead

圖10為不同水層厚度的液艙吸能對比。當(dāng)水層厚度增加后，水體與液艙內(nèi)壁的能量轉(zhuǎn)換過程被逐漸推移。當(dāng)水層厚度為100 mm時，液艙吸收的總吸能增加了約28.4%，其中液艙內(nèi)壁的吸能占比增加了約10%，水體的吸能占比有所下降；當(dāng)水層厚度增加至300 mm時，液艙的總吸能增加了約35.3%，而對艙內(nèi)各部分吸能占比影響較小，上下波動不超過3%。薄水層和厚水層雖然都提高了液艙整體吸能，但其吸能增加的原因不同。水體通過質(zhì)點的運動吸收爆炸能量，水層厚度較小時水體擾動較為劇烈，且液艙內(nèi)壁變形的迅速發(fā)展導(dǎo)致內(nèi)壁吸能增加。增加水層厚度實際上是增加了受擾動的水體質(zhì)點數(shù)量，進而提高了液艙的總吸能。式（5）表明，當(dāng)水層厚度大于c0τ時，多余的水體將不再對吸能有所影響。因此，在設(shè)計液艙時，應(yīng)綜合考慮依靠艙壁變形和水體擾動的吸能效果，選取合適的水層厚度。

4 結(jié) 論

上述研究表明：

1）有液體介質(zhì)時，艙室吸收的爆炸能量相對于無液體介質(zhì)時有所降低；當(dāng)裝藥和爆距確定時，液艙吸收的爆炸能量主要和外壁厚度以及水體厚度有關(guān)。

圖10 不同水層厚度的液艙吸能對比Fig.10 Contrast of energy absorption mode of liquid tank

2）液體介質(zhì)通過自身的吸能降低了外壁的變形量，并改變了其變形模式；液體介質(zhì)改變了艙室的吸能模式，由單一的依靠外壁變形吸能轉(zhuǎn)變?yōu)橐揽績?nèi)外壁變形和液體質(zhì)點運動共同吸能。

3）增加內(nèi)壁厚度不影響液艙的總吸能和外壁的吸能效果，但對液艙內(nèi)壁的吸能有所提升，同時減小了其變形發(fā)展的速度，有利于保護艙室的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

4）水層厚度影響液艙總吸能和艙壁的變形模式，其厚度為c0τ時可保證液艙的最大吸能效果。水層較薄時，液艙通過水體的激蕩和內(nèi)壁的變形提高了整體吸能；水層較厚時，振動水體質(zhì)點的增加是改變液艙吸能的原因。

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Research into energy absorption of liquid cabin subjected to close-range explosion

LI Siyu1，LI Xiaobin1，ZHAO Pengduo2，HU Xiang1

1 School of Transportation，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China

2 Naval Academy of Armament，Beijing 100073，China

In order to study the energy absorption of different parts of a liquid cabin under a close-range explosion,a fluid-structure coupling model is built on the basis of experiments,and the deformation of the bulkhead and energy absorption ratio of different parts of the liquid cabin are analyzed,in which the influence of the water,bulkhead thickness ratio and water thickness are also discussed.The results show that the existence of a liquid medium can change the energy absorption model of a cabin.The total energy absorption is mainly affected by the front bulkhead thickness and water thickness,and alterations to the bulkhead thickness ratio or water thickness can also affect the deformation model of the bulkhead and energy absorption ratio of different parts of the cabin.A logical explanation of the energy absorption mechanisms of the liquid cabin is proposed,and some useful suggestions for designs are given.

close-range explosion；warship protective tank；shock；energy absorption

U661.4；O38

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.015

2016-07-04

2016-12-28 15:35

國家自然科學(xué)基金資助項目（11302259）；非線性力學(xué)國家重點實驗室開放基金資助項目（LNM201505）

李思宇，男，1991年生，碩士生。研究方向：結(jié)構(gòu)安全與可靠性。E-mail：596540197@qq.com李曉彬（通信作者），男，1971年生，博士，教授。研究方向：結(jié)構(gòu)安全與可靠性。E-mail：lxbmark@163.com

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20161228.1535.012.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

李思宇，李曉彬，趙鵬鐸，等.近爆載荷作用下液艙的吸能研究［J］.中國艦船研究，2017，12（1）：101-106，133. LI S Y，LI X B，ZHAO P D，et al.Research into energy absorption of liquid cabin subjected to close-range explosion［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（1）：101-106，133.