沖擊毀傷載荷作用下新型艦船艙壁結(jié)構(gòu)型式研究

尹 群，李 舒，王 珂

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

沖擊毀傷載荷作用下新型艦船艙壁結(jié)構(gòu)型式研究

尹 群，李 舒，王 珂

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

本文對高速破片與沖擊波載荷聯(lián)合作用下典型艦船艙壁結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)過程進行數(shù)值模擬研究。基于結(jié)構(gòu)吸能和破片平均剩余速度的評判標準，對比分析 3 種新型夾芯板雙層艙壁（I 型、X 型、V 型）抗沖擊毀傷特性。研究結(jié)果表明，在相同高速破片與沖擊波載荷聯(lián)合作用下，破片穿透 V 型夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)的平均剩余速度最小，并且 V 型夾芯板結(jié)構(gòu)吸能最多；3 種新型夾芯板艙壁結(jié)構(gòu)抗沖擊性能均強于典型單層艙壁結(jié)構(gòu)。

聯(lián)合作用；雙層艙壁；動態(tài)響應(yīng)；新型結(jié)構(gòu)

0 引 言

艦船作為現(xiàn)代海戰(zhàn)中最重要的載體同時也是最容易受到攻擊的對象，其生命力的提升是每個國家都需要研究的。在船體結(jié)構(gòu)中，艙壁結(jié)構(gòu)的作用十分關(guān)鍵，作為保護艙內(nèi)重要的設(shè)備以及相關(guān)人員的人身安全的最后一道也是十分重要的屏障，其作用的重要性不言而喻。因此，對艙壁結(jié)構(gòu)的沖擊毀傷性能的研究具有非常重要的意義。

為了加強艦船艙壁的抗沖擊毀傷性能，許多國內(nèi)外研究學(xué)者都對艙壁結(jié)構(gòu)進行了研究?；跊_擊毀傷載荷中沖擊波與高速破片的初始速度和衰減速率不同，大多數(shù)的研究主要是將毀傷載荷解耦成沖擊波載荷的破壞和高速破片穿甲破壞分別研究。但近年來，人們逐漸意識到兩者聯(lián)合作用對結(jié)構(gòu)的破壞具有疊加增強的效應(yīng)。

因此，本文針對傳統(tǒng)的單層艙壁結(jié)構(gòu)并結(jié)合幾種夾芯板結(jié)構(gòu)艙壁，研究不同艙壁結(jié)構(gòu)型式在沖擊波與破片聯(lián)合作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，從而為艦船艙壁結(jié)構(gòu)的抗沖擊毀傷性能提供參考，為船體艙壁結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)化提供依據(jù)。

1 艙壁結(jié)構(gòu)的抗沖擊毀傷性能的評判參數(shù)

為研究各種類型艙壁的抗沖擊性能，需要一些參數(shù)作為評判的依據(jù)，本文選取結(jié)構(gòu)吸能與破片平均剩余速度為評判參數(shù)。

1.1 艙壁結(jié)構(gòu)的吸能

在沖擊毀傷載荷作用下，艙壁結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生塑性變形以吸收破片動能和沖擊波能量，即通過結(jié)構(gòu)吸能來判斷該結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的優(yōu)劣，從而達到保護艦船其他設(shè)計和結(jié)構(gòu)的作用。

1.2 破片平均剩余速度

沖擊毀傷載荷中破片具有非常高的初始速度，當破片穿過艙壁結(jié)構(gòu)之后，如果其速度并沒有減少很多而仍然維持在一個較高的速度，那么就會對結(jié)構(gòu)后面的設(shè)備或結(jié)構(gòu)造成損傷，對艦船的生命力仍然具有較大威脅。因此，較優(yōu)的艙壁結(jié)構(gòu)型式應(yīng)該能夠使破片的剩余速度盡量的小，以降低破片對艦船重要部分的毀傷特性。

除了以上兩點，夾芯板艙壁結(jié)構(gòu)還應(yīng)該具有重量適當、成本合理、工藝可行且構(gòu)件加工方便等經(jīng)濟性和工藝性的特點。

2 沖擊毀傷過程數(shù)值模擬

2.1 材料模型

為了準確地對破片和沖擊波聯(lián)合作用下幾種新型夾芯板艙壁結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)過程進行數(shù)值模擬研究，數(shù)值模擬研究中材料模型類型和參數(shù)對數(shù)值仿真結(jié)果有較大影響。因此，艙壁材料選取 945 鋼，艙壁厚度為4 mm，采用彈塑性（DMAT/DMATEP）本構(gòu)模型，材料參數(shù)如表 1 所示。TNT 炸藥采用高能密度空氣模擬，密度為 1 600 kg/m3，比內(nèi)能為 4.19 GJ/m3。

表1 破片和艙壁材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of fragment and bulkhead

2.2 仿真模型

在艙壁結(jié)構(gòu)抗沖擊性能數(shù)值模擬研究中，整體有限元計算模型：長為 9 m，寬為 8 m，高為 7.6 m；模型垂向上分為 3 個艙室，自下而上每個艙室高度分別為 2.35 m，2.45 m，2.8 m；其中中間艙室為炸藥所在艙室；根據(jù)實際結(jié)構(gòu)在每層甲板和舷側(cè)結(jié)構(gòu)上設(shè)計相應(yīng)加強筋。整體有限元模型如圖 1 所示。

因為要考慮到高速破片和沖擊波聯(lián)合作用，為準確地模擬破片的侵徹問題，在高速破片的侵徹區(qū)域結(jié)構(gòu)需要進行網(wǎng)格細化，艙壁結(jié)構(gòu)細化區(qū)域和大小如圖 2所示。

選取炸藥量為 150 kg 的球形 TNT 炸藥，炸藥位置距離雙層艙壁 1.75 m。炸藥外部的戰(zhàn)斗部殼體厚度為25 mm。因為要模擬戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)飛散過程，所以需要對導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部每對相鄰節(jié)點設(shè)置綁定和分離應(yīng)變，同時給戰(zhàn)斗部表面單元施加外法線方向的壓力或者給單元上的節(jié)點直接予以初速度。采用施加壓力的方法，根據(jù)文獻[6]施加單元上壓力計算公式為：

式中：ρω為炸藥密度， ρω= 1 590 kg/m3；Dω為炸藥爆速，Dω= 1 590 m/s；γ 為炸藥的絕熱指數(shù)， γ = 3。而殼體內(nèi)部壓力為：

式中：r0為殼體的初始半徑；r 為殼體在膨脹過程中的瞬時內(nèi)的半徑。對于球形殼體，μ = 2。

與裸炸炸藥相比，實際上戰(zhàn)斗部爆炸后一部分炸藥釋放出來的能量消耗在殼體變形、破碎以及飛散，另一部分能量用于爆炸產(chǎn)物的膨脹和形成空氣沖擊波。因此，裝殼炸藥與裸炸相比，最后形成的空氣沖擊波的超壓值和比沖量都會減少。因此在聯(lián)合作用仿真時根據(jù)能量守恒可知質(zhì)裝藥量為 W 的炸藥所釋放出來的總能量用于爆炸產(chǎn)物的內(nèi)能和動能的增加，破片的飛散動能，即

式中：QW為炸藥爆能；mp為殼體質(zhì)量；a，b 為形狀系數(shù)；對于球形裝藥分別為 2/3，3。μp為殼體膨脹速度。將式（4）、式（5）和式（6）代入式（3）可整理出 μp的表達式

2.3 計算結(jié)果與分析

2.3.1 艙壁結(jié)構(gòu)破壞模式

圖 3 為沖擊波和侵徹聯(lián)合作用下不同時刻艙壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖。由圖可得，0.000 8 s 時沖擊波已經(jīng)到達艙壁結(jié)構(gòu)，距離爆心最近的艙壁板中心首先出現(xiàn)響應(yīng)并逐漸向四周傳遞；0.001 s 時破片侵徹艙壁產(chǎn)生破口，結(jié)構(gòu)破口周圍出現(xiàn)較大應(yīng)力，此時沖擊波作用范圍加大；之后沖擊波在艙內(nèi)發(fā)射和折射又重新匯聚成沖擊波作用在艙壁結(jié)構(gòu)上而導(dǎo)致破口被撕拉，破口形狀大小均發(fā)生改變；聯(lián)合作用下艙壁結(jié)構(gòu)較大應(yīng)力出現(xiàn)在艙壁破口、艙壁與甲板或舷側(cè)接觸處。

2.3.2 應(yīng)力

本文重點研究了沖擊波和破片聯(lián)合作用下的艙壁結(jié)構(gòu)響應(yīng)，因此在研究結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化特征時選取能較好體現(xiàn)聯(lián)合作用效果的區(qū)域為研究目標，同時又考慮到高速破片侵徹具有很強的局部性，因此選取破口邊緣處節(jié)點研究應(yīng)力變化的特征。

圖4 為破口邊緣處節(jié)點應(yīng)力隨時間變化曲線。由圖可知，初始時刻沖擊波和破片均沒有到達艙壁結(jié)構(gòu)，即艙壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力為 0；隨著沖擊波載荷傳播，艙壁結(jié)構(gòu)前方空氣受擠壓作用，使艙壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力緩慢上升；0.000 7 s 時，沖擊波到達艙壁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力迅速增加；0.001 s 時，破片侵徹艙壁結(jié)構(gòu)，艙壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力又再次上升，之后沖擊波在艙室內(nèi)反射和折射重新匯聚成新的沖擊波再次作用到艙壁結(jié)構(gòu)，對破口造成撕拉，使艙壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力出現(xiàn)上下震蕩。

2.3.3 變形

圖 5 為艙壁板破口邊緣處節(jié)點位移隨時間變化曲線圖。由圖可得，在初始階段，沖擊波擠壓艙壁結(jié)構(gòu)前的空氣，導(dǎo)致艙壁結(jié)構(gòu)位移開始出現(xiàn)微小變化；當沖擊波到達艙壁結(jié)構(gòu)，艙壁結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生變形，隨后破片侵徹艙壁結(jié)構(gòu)，位移會再次迅速增大，之后回落；隨著沖擊波在艙內(nèi)的反射作用重新形成新的沖擊波作用到艙壁結(jié)構(gòu)上，引起艙壁結(jié)構(gòu)位移變化，在沖擊波完全傳播過結(jié)構(gòu)后，位移會回落并最終趨于穩(wěn)定。

2.3.4 破片平均剩余速度

圖 6 為聯(lián)合作用下破片平均剩余速度隨時間變化曲線。每當有破片侵徹艙壁結(jié)構(gòu)時破片總動能就會下降，而破片總質(zhì)量不變，所以破片總動能只與破片平均剩余速度有關(guān)。由于破片是逐漸作用到艙壁結(jié)構(gòu)上，因此破片平均剩余速度就會逐漸下降；當所有破片穿透結(jié)構(gòu)之后，最終破片平均剩余速度保持不變，即為 987 m/s。

2.3.5 吸能

圖 7 為艦船艙壁各結(jié)構(gòu)吸能隨時間變化曲線。由圖可知，在初始階段由于破片和沖擊波均沒有作用到艙壁結(jié)構(gòu)，艙壁結(jié)構(gòu)吸能幾乎一直為 0；隨著沖擊波傳播，艙壁結(jié)構(gòu)前空氣受到擠壓而使艙壁吸能開始緩慢增加；0.000 7 s 時，沖擊波到達艙壁結(jié)構(gòu)，艙壁結(jié)構(gòu)吸能迅速增加，0.001 s 時開始有破片侵徹艙壁結(jié)構(gòu)，艙壁結(jié)構(gòu)吸能再次迅速上升，由于眾多破片作用時間不同，吸能會在侵徹作用時間內(nèi)不斷上升；沖擊波和破片載荷聯(lián)合作用后，艙壁結(jié)構(gòu)各構(gòu)件吸能最終趨于平穩(wěn)。對比圖中曲線可知，艙壁板吸能為 1.86 MJ，占總吸能的 65.2%，為主要吸能構(gòu)件。而艙壁結(jié)構(gòu)型材吸能為 0.99 MJ，占總吸能的 34.8%，為次要吸能構(gòu)件。

3 夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)抗沖擊性能研究

3.1 艙壁結(jié)構(gòu)有限元模型

目前，夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)抗沖擊性能已經(jīng)成為一個熱點研究問題，本文在保持艙壁結(jié)構(gòu)總質(zhì)量不變的基礎(chǔ)上，對不同型式夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能進行對比研究。3 種夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)有限元圖如圖 8 所示。

圖8 夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)型式

Fig.8 The structure form of sandwich

圖 8 中有限元計算模型中夾芯雙層艙壁前后面板厚度均為 4 mm，間距為 0.25 m，為了滿足夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)與典型艦船艙壁結(jié)構(gòu)質(zhì)量相等，3 種夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)中夾芯厚度不同，如表 2 所示。

表2 夾芯厚度表Tab.2 The thickness of the sandwich

3.2 艙壁結(jié)構(gòu)吸能比較分析

圖 9 為 3 種不同型式夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)的吸能-時間曲線。由圖可知，3 條曲線的變化趨勢大體上一致。在初始時刻，由于破片和沖擊波均沒有作用到艙壁結(jié)構(gòu)，艙壁結(jié)構(gòu)吸能很??；0.000 7 s 時沖擊波作用到結(jié)構(gòu)上，夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)開始快速上升；0.001 s時開始有破片侵徹作用到艙壁結(jié)構(gòu)，3 種夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)吸能再次迅速上升，其上升幅度與該時刻下作用在艙壁結(jié)構(gòu)的破片數(shù)量及其方向有關(guān)；此后由于沖擊波在艙室內(nèi)部的反射作用重新匯聚成新的沖擊波作用在艙壁結(jié)構(gòu)上，夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)吸能再度上升；當沖擊波和破片作用結(jié)束后，夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)吸能趨于穩(wěn)定不再變化。由圖中 3 種夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)吸能曲線可知，V 型雙層艙壁的結(jié)構(gòu)吸能最多，而I型和X型夾芯板雙層艙壁的結(jié)構(gòu)吸能相對小一些，但均大于單層艙壁結(jié)構(gòu)下的結(jié)構(gòu)吸能，各種艙壁結(jié)構(gòu)吸能值列于表 3 中。

表3 艙壁結(jié)構(gòu)吸能Tab.3 Bulkhead energy absorption

3.3 破片平均剩余速度比較分析

圖 10 為 3 種不同型式夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)破片平均剩余速度時間歷程曲線。由圖可知，3 條曲線的變化趨勢一致。在初始時刻，炸藥爆轟波驅(qū)動破片獲得初始速度；破片沒有作用到艙壁結(jié)構(gòu)之前，破片平均剩余速度保持不變；當破片作用到艙壁結(jié)構(gòu)時，破片平均剩余速度下降，下降幅度與該時刻下作用在艙壁結(jié)構(gòu)的破片數(shù)量及其方向有關(guān)。破片全部穿透過艙壁結(jié)構(gòu)后，破片剩余速度保持恒定；對比圖中 3 種夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)破片平均剩余速度曲線可知，V 型雙層艙壁下破片平均剩余速度最小，而 X 型和 I 型雙層艙壁下破片的平均剩余速度稍微大一些，但均小于單層艙壁結(jié)構(gòu)下破片平均剩余速度，各種艙壁結(jié)構(gòu)下破片剩余速度列于表 4 中。速度均小于破片穿透典型艦船單層艙壁結(jié)構(gòu)的平均剩余速度。3 種夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)下，V 型夾芯板的剩余速度最小，為 925 m/s，X 型和 I 型分別為 957 m/s，974 m/s。

表4 夾芯板厚度表Tab.4 The thickness of the sandwich

4）綜合考慮，V 型夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)的破片平均剩余速度最小、結(jié)構(gòu)吸能最大，可以得出沖擊波和破片聯(lián)合作用下 V 型夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能最優(yōu)。

4 結(jié) 語

本文針對高速破片和沖擊波載荷聯(lián)合作用下，艙壁結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能進行了數(shù)值仿真研究；對 3 種夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)（I 型、X 型、V 型）在高速破片和沖擊波載荷聯(lián)合作用下的抗沖擊性能進行數(shù)值模擬研究，從而得到抗沖擊性能最優(yōu)的艙壁結(jié)構(gòu)型式。通過本文研究得到了以下結(jié)論：

1）在高速破片與沖擊波載荷聯(lián)合作用在艙壁結(jié)構(gòu)上時，在載荷未傳遞到結(jié)構(gòu)時艙壁結(jié)構(gòu)的僅受到空氣擠壓而只產(chǎn)生很微小的響應(yīng)，沖擊波傳播作用到結(jié)構(gòu)上引起結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，此后破片作用到艙壁結(jié)構(gòu)上時，毀傷艙壁結(jié)構(gòu)造成破口，而沖擊波在艙內(nèi)的反射和折射作用重新匯聚產(chǎn)生沖擊波對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生二次損傷，尤其在破口處造成撕拉導(dǎo)致破口形狀大小均發(fā)生變化；

2）針對 3 種夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)吸能，3 種夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)吸能均大于艦船典型單層艙壁結(jié)構(gòu)的吸能。其中 V 型夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)是單層艙壁結(jié)構(gòu)的吸能 2 倍，I 型和 X 夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)的吸能比單層艙壁結(jié)構(gòu)吸能分別增加 30% 和 38%；

3）破片穿透 3 種夾芯板雙層艙壁結(jié)構(gòu)的平均剩余

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Research on new ship bulkhead structure under impact damage load

YIN Qun, LI Shu, WANG Ke
(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

The numerical simulation of the dynamic response of typical ship bulkhead structure under combined action of high - speed fragment and shock wave loading was carried out. With the evaluation criteria Based on structural energy absorption and average residual velocity of fragments, we contrast and analysis the shock damage characteristics of the sandwich double bulkheads structure (IXV-type). The results show that: under the same combined load, we can get a smallest average residual velocity of fragment while the fragments penetrate the V-type sandwich double bulkheads structure. At the same time, the V-type sandwich double bulkheads structure absorbs the most energy. These three kinds of sandwich plate structures all have better anti- Impact damage property than the typical bulkhead structure.

combined action；double bulkhead；dynamic response；the new structure

U663.4

A

1672 – 7619(2017)06 – 0006 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2017.06.002

2016 – 12 – 16

尹群(1964 – )，男，博士，教授，研究方向為船舶與海洋結(jié)構(gòu)損傷力學(xué)、船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)風(fēng)險評估及船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)工藝力學(xué)。