基于TRIZ理論的艦船防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)型式生成研究

肖肯，李德聰，戴文喜，張弩，吳國民，賀雙元

1海軍駐大連船舶重工集團(tuán)有限公司軍事代表室，遼寧大連116005

2中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

0 引 言

在戰(zhàn)爭中，艦船不可避免地遭受各種武器的攻擊威脅，特別是高性能反艦導(dǎo)彈，其普遍采用半穿甲型戰(zhàn)斗部［1］，可侵入船體內(nèi)部爆炸，產(chǎn)生沖擊波和大量的高速彈片等毀傷元［2］。因此，對于某些重要艙室，需要在其周圍設(shè)置防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)，以保證艙室結(jié)構(gòu)主體及其中人員和設(shè)備的安全。提高艙壁結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能可通過增加鋼板厚度、加大支撐構(gòu)件尺寸來實(shí)現(xiàn)，但引起的重量增加將對艦船的使用性能產(chǎn)生較大的影響；此外，由于沖擊波與彈片2種載荷對結(jié)構(gòu)的作用方式及毀傷特點(diǎn)存在較大的差異，加大加厚構(gòu)件的方法難以同時(shí)高效提升對沖擊波和彈片2種毀傷載荷的防護(hù)能力，亟待改進(jìn)［3］。國內(nèi)外學(xué)者提出了各種艦船防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)型式并開展了相應(yīng)的研究，例如，美國在20世紀(jì)80年代提出了金屬夾層結(jié)構(gòu)［4-5］，段新峰等［6］研究了I型金屬夾層板結(jié)構(gòu)在沖擊波和高速彈片聯(lián)合作用下的毀傷響應(yīng)；張成亮等［7-9］提出了由陶瓷、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯層和金屬面板組成的夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)，并通過大量的模型試驗(yàn)研究了該類結(jié)構(gòu)在沖擊波和高速彈片聯(lián)合毀傷作用下的防護(hù)機(jī)理?？梢灶A(yù)測，隨著科技的發(fā)展，將不斷有新的艦船艙壁防護(hù)結(jié)構(gòu)型式提出。

如何在重量資源消耗較小時(shí)，實(shí)現(xiàn)對2種毀傷元的同時(shí)防御是艦船防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難題。本文基于發(fā)明問題解決理論（Terija Rezhenija Inzhenernyh Zadach，TRIZ），擬采用該理論中的沖突分析方法及其解決原理，結(jié)合沖擊動(dòng)力學(xué)知識，研究防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)概念型式快速生成的有效方法。在此基礎(chǔ)上，探討艦船防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)概念型式生成可采用的一般性原理，并對新型防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)型式的技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行預(yù)測，以期為艦船抗爆防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展提供一定的參考。

1 TRIZ解決技術(shù)問題的流程與方法

TRIZ是一種基于知識、面向人的發(fā)明問題解決系統(tǒng)化方法，由 Atshuller［10］于 1964 年最先提出。其通過研究大量的發(fā)明設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)：1）類似的技術(shù)沖突或問題與其解決原理在不同的工業(yè)及科學(xué)領(lǐng)域交替出現(xiàn)；2）類似進(jìn)化模式在不同的工業(yè)部門及不同的科學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)系統(tǒng)中重復(fù)出現(xiàn)。也就是說，在某個(gè)工程領(lǐng)域遇到技術(shù)難題時(shí)，解決這些難題的方法是存在且可預(yù)見的，有一般性的原理與具體方法可以遵循。將TRIZ理論運(yùn)用于產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)，可快速提出有競爭力的概念方案，大幅提高設(shè)計(jì)效率。

采用TRIZ理論解決行業(yè)技術(shù)問題的一般流程見圖1［11］。首先，將需要解決的特定技術(shù)問題轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)問題模型；然后，進(jìn)行TRIZ匹配，找到該問題的原理解（TRIZ解）；再基于行業(yè)領(lǐng)域的專業(yè)知識把TRIZ解轉(zhuǎn)換為行業(yè)領(lǐng)域解；最后，對解決方案進(jìn)行評價(jià)，確定是否最終解決該技術(shù)問題。

圖1 TRIZ理論解決技術(shù)問題的流程Fig.1 The process of solving technology problems by using TRIZ

TRIZ理論中可采用的工具主要包括分析工具和基于知識的解決工具2類。其中，分析工具用于定義、描述和模擬問題，提供了辨認(rèn)和形式化問題的方法和計(jì)算機(jī)工具，包括：發(fā)明問題的解決算法（ARIZ）、物質(zhì)—場分析、創(chuàng)新問卷調(diào)查表（ISQ）等?；谥R的解決工具來源于人類創(chuàng)新經(jīng)驗(yàn)所獲得的知識的積累、組織和構(gòu)造，為使用者提供最高水平的問題解決工具，包括：40條發(fā)明原理、4條分離原理、76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解和效應(yīng)數(shù)據(jù)庫等［12］。

TRIZ理論認(rèn)為，創(chuàng)新的核心在于解決技術(shù)問題中存在的沖突，該理論在對大量發(fā)明專利分析的基礎(chǔ)上，提出了用39個(gè)通用工程參數(shù)（表1）來描述實(shí)際應(yīng)用中的沖突。如果問題中的沖突可以用通用工程參數(shù)進(jìn)行描述，則可以采用沖突解決原理（分離原理或發(fā)明原理）進(jìn)行求解，是目前TRIZ理論中應(yīng)用最普遍的工具。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的沖突是普遍存在的，一般可分為物理沖突與技術(shù)沖突2類。物理沖突是指為實(shí)現(xiàn)某一功能，要求某一參數(shù)具有相反的特性；技術(shù)沖突是指為實(shí)現(xiàn)某一功能，一個(gè)參數(shù)的改善將引起另一參數(shù)的惡化。對于物理沖突，可通過4條分離原理來解決，分別為空間分離、時(shí)間分離、基于條件的分離、整體與部分的分離；對于技術(shù)沖突，可采用40條發(fā)明原理（表2）進(jìn)行解決［13］。分離原理與發(fā)明原理間存在對應(yīng)關(guān)系。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，采用沖突解決原理的一般流程見圖2，首先確定設(shè)計(jì)中的沖突，將沖突描述標(biāo)準(zhǔn)化，然后針對技術(shù)沖突或物理沖突，分別采用相應(yīng)的沖突解決工具得到問題的通用解，最后結(jié)合專業(yè)學(xué)科知識或可類比的實(shí)例，確定具體解決方案。

2 艦船防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)型式生成研究

2.1 問題背景和描述

假定導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部穿入船體內(nèi)部爆炸，需在重要艙室周圍設(shè)置防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)，以保證此類艙室結(jié)構(gòu)主體及其中人員和設(shè)備的安全性（圖3）。

重要艙室的防護(hù)艙壁是防護(hù)功能實(shí)現(xiàn)的主體，主要受到?jīng)_擊波與彈片的聯(lián)合毀傷作用［14］。隨著武器的不斷發(fā)展及艦船對生命力要求的不斷提高，對艙壁結(jié)構(gòu)的防護(hù)能力提出了更高的要求，但防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)必須在一定的重量限制下進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果防護(hù)艙壁重量過大，將對艦船的使用性能產(chǎn)生較大影響。因此，如何在重量資源消耗極少的條件下實(shí)現(xiàn)對武器爆炸沖擊波和彈片的同時(shí)防御，達(dá)到預(yù)期的防護(hù)效果，是防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)難題。

表1 通用工程參數(shù)Table 1 Universal engineering parameters

表2 發(fā)明原理匯總Table 2 Invention principles

圖2 采用沖突解決原理的一般設(shè)計(jì)流程Fig.2 General design process by using the Solution of technical contradiction

圖3 艙壁受沖擊波與彈片聯(lián)合作用示意圖Fig.3 The bulkhead subjected to combined blast shockwave and fragments loading

其他行業(yè)存在的防護(hù)問題已有一些相對成熟的解決方案：

1）陸上工事主要采用高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)為防護(hù)結(jié)構(gòu)［15］，主要防御對象為穿甲彈，其特點(diǎn)是價(jià)格低，但單位重量的防護(hù)能力較低。由于重量大、材料適應(yīng)性差等客觀因素，該結(jié)構(gòu)型式難以在艦船艙壁防護(hù)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用。

2）個(gè)體防彈衣主要采用高性能纖維織物［16］，主要防御對象為子彈，其特點(diǎn)是柔性好、可塑性強(qiáng)、抗破片侵徹能力強(qiáng)。由于其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度弱，該結(jié)構(gòu)型式無法在艦船防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用。

3）裝甲車輛主要采用厚裝甲及反應(yīng)裝甲防護(hù)結(jié)構(gòu)［17］，主要防御對象為長桿彈或破甲彈產(chǎn)生的高速金屬射流，而艦船艙壁結(jié)構(gòu)的防御對象為沖擊波和破片，兩者的防御對象有較大差別，毀傷載荷作用差別也很大，故該結(jié)構(gòu)型式難以直接應(yīng)用。

雖然上述3類防護(hù)結(jié)構(gòu)型式難以在艦船中直接應(yīng)用，但可為艦船防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的借鑒與參考。

對新的防護(hù)艙壁的主要要求如下：

1）防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)重量盡量輕；

2）可同時(shí)防御沖擊波和破片，即兼?zhèn)漭^好的抗沖擊和抗侵徹性能；

3）最好能采用艦船現(xiàn)有的資源。

2.2 問題分析

2.2.1 功能模型及沖突區(qū)域確定

艦船重要艙室防護(hù)艙壁抗沖擊波與破片聯(lián)合作用問題（本問題）的功能模型見圖4，描述了系統(tǒng)元件及其相互關(guān)系。本問題的核心元件是艦船重要艙室的防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)，其功能是實(shí)現(xiàn)對內(nèi)部重要艙室的有效隔離防護(hù)。如果武器威力小或者武器不能侵入船體內(nèi)部發(fā)生爆炸，那么艙壁結(jié)構(gòu)的防護(hù)問題不存在，就本問題而言，武器威脅屬于超系統(tǒng)，難以改變；艙壁結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能主要表現(xiàn)為對沖擊波及破片的防護(hù)能力不足，即艙壁結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能和抗侵徹性能差，導(dǎo)致艙內(nèi)人員及設(shè)備的安全性或可靠性差。因此，本問題的沖突區(qū)域?yàn)槠破?、沖擊波與防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)之間的作用區(qū)域。

圖4 功能模型Fig.4 Function model

2.2.2 理想解與系統(tǒng)資源分析

本問題的理想解為：應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)資源，在不使系統(tǒng)復(fù)雜化和增加重量的條件下，隔離爆炸沖擊波和破片對艙室的毀傷危害。

本問題的次理想解為：引入或應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)資源，使系統(tǒng)復(fù)雜化程度增加及重量增加均較小的條件下，實(shí)現(xiàn)對武器爆炸產(chǎn)生的沖擊波和破片對艙室的毀傷危害的隔離防護(hù)。

防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)型式構(gòu)建可用的資源匯總參見表3。

表3 可用的系統(tǒng)資源列表Table 3 Resource involved in this system

2.3 問題解決

2.3.1 沖突的表述及發(fā)明原理的確定

主要采用了TRIZ理論中的沖突分析方法，以及技術(shù)沖突的解決原理——40條發(fā)明原理等技術(shù)工具。

在本問題中，希望改進(jìn)的特性是艙壁的防護(hù)性能（包括抗沖擊性能與抗侵徹性能），依據(jù)常規(guī)增大板及加強(qiáng)筋構(gòu)件尺寸的方法，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重量大幅增加。因此提高結(jié)構(gòu)防護(hù)性能與結(jié)構(gòu)重量代價(jià)間存在沖突，按照TRIZ理論，一個(gè)參數(shù)的改善將引起另一參數(shù)的惡化，該沖突屬于技術(shù)沖突。

參照表1所列的TRIZ通用工程參數(shù)，抗爆性能可以采用強(qiáng)度和可靠性這2個(gè)工程參數(shù)表征，結(jié)構(gòu)重量可以采用靜止物體的重量這一工程參數(shù)表征，因此，改善的參數(shù)為強(qiáng)度和可靠性，惡化的參數(shù)為靜止物體的重量。

TRIZ理論在大量專利分析的基礎(chǔ)上，將39個(gè)工程參數(shù)分別作為X軸和Y軸，形成了完整的技術(shù)沖突矩陣表［12］，X軸和Y軸交點(diǎn)處的數(shù)字表示可采用的發(fā)明原理編號，每個(gè)交點(diǎn)處最多包含4項(xiàng)發(fā)明原理。

根據(jù)文獻(xiàn)［12］給出的沖突矩陣表，以強(qiáng)度和可靠性為改善的參數(shù)，以靜止物體的重量為惡化的參數(shù)，可采用的發(fā)明原理包括：分割、局部質(zhì)量、重量補(bǔ)償、預(yù)操作、復(fù)制、廉價(jià)替代品、機(jī)械系統(tǒng)替代、復(fù)合材料，上述發(fā)明原理在表2中的序號分別為1，3，8，10，26，27，28和 40。對上述各發(fā)明原理的具體技術(shù)途徑簡述如下：

1）分割原理的技術(shù)途徑：

（1）將一個(gè)物體分成相互獨(dú)立、容易組裝及拆卸的部分；

（2）增加物體各部分之間相互獨(dú)立的程度。

2）局部質(zhì)量原理的技術(shù)途徑：

（1）將物體或環(huán)境中的均勻結(jié)構(gòu)變成非均勻結(jié)構(gòu)；

（2）由物體的不同組成部分完成不同的功能；

（3）物體各組成部分都最大程度發(fā)揮作用。

3）重量補(bǔ)償原理的技術(shù)途徑：

（1）用一個(gè)能產(chǎn)生提升力的物體補(bǔ)償?shù)?個(gè)物體的重量；

（2）通過與環(huán)境相互作用產(chǎn)生空氣動(dòng)力或液體動(dòng)力的方法來補(bǔ)償?shù)?個(gè)物體的重量。

4）預(yù)操作原理的技術(shù)途徑：

（1）在操作開始之前，使物體局部或全部產(chǎn)生所需的變化；

（2）預(yù)先對物體進(jìn)行特殊安排，使其準(zhǔn)備時(shí)間充?；蛞烟幱谝撞僮鞯奈恢?。

5）復(fù)制原理的技術(shù)途徑：

（1）用簡單、低廉的復(fù)制品代替復(fù)雜或不易操作的物體或結(jié)構(gòu)；

（2）用光學(xué)復(fù)制或者圖像代替物體本身；

（3）如果已使用可見光拷貝，用紅外線或紫外線替代。

6）廉價(jià)替代品原理的技術(shù)途徑：用低成本、不耐用的物體代替昂貴、耐用的物體。

7）機(jī)械系統(tǒng)替代原理的技術(shù)途徑：

（1）采用電場、磁場及電磁場完成與物體的相互作用；

（2）將固定場變?yōu)橐苿?dòng)場，將靜態(tài)場變?yōu)閯?dòng)態(tài)場，將隨機(jī)場變?yōu)榇_定場。

8）復(fù)合材料原理的技術(shù)途徑：將材質(zhì)單一的材料改為復(fù)合材料。

2.3.2 發(fā)明原理的可用性分析

1）分割原理。

彈片的侵徹能力不僅取決于其自身特性（如質(zhì)量、初始速度和形狀）和靶板特性（如密度、硬度和抗拉強(qiáng)度等），還取決于彈目交會時(shí)彈體的狀態(tài)（如速度和著角等）。如果防護(hù)艙壁為整體結(jié)構(gòu)，彈片與結(jié)構(gòu)僅一次接觸，則彈片的侵徹能力僅取決于其初始狀態(tài)，無法發(fā)揮空間資源的優(yōu)勢。若采用分割原理，將抗侵徹結(jié)構(gòu)分成相互獨(dú)立的部分并且各部分之間存在一定的距離，那么彈片穿過前面的結(jié)構(gòu)時(shí)，其速度和著角均可能發(fā)生較大的改變［18］，再撞擊后面的結(jié)構(gòu)時(shí)，可降低其侵徹能力，因此分割原理可用于防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)型式構(gòu)建。

2）局部質(zhì)量原理。

依據(jù)局部質(zhì)量原理的第1條技術(shù)途徑，當(dāng)彈片垂直侵徹均勻靶板結(jié)構(gòu)時(shí)，彈片的侵徹軌跡基本保持直線；而當(dāng)彈片侵徹非均勻結(jié)構(gòu)時(shí)，會誘發(fā)彈體的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生擾動(dòng)、產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，直接影響彈片的侵徹性能。美國一家研究機(jī)構(gòu)針對中空管形、金字塔形、三角形及折邊形等多種格柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈丸侵徹試驗(yàn)，結(jié)果表明可產(chǎn)生非直線型彈道［19］。此外，防護(hù)艙壁在不同厚度處承受的載荷存在較大差異，臨近迎爆面處：沖擊波強(qiáng)度最大，彈片速度大（一般大于1 500 m/s），彈靶均產(chǎn)生塑性流動(dòng)，防護(hù)材料的韌性、硬度、抗壓強(qiáng)度等參數(shù)起主要作用；臨近背爆面處：沖擊波強(qiáng)度弱，彈片速度?。◤膸装倜酌棵胨p到零），彈片變形小，防護(hù)材料的強(qiáng)度等參數(shù)起主要作用。因此防護(hù)艙壁宜采用非均勻結(jié)構(gòu)，使不同部位都最大限度地發(fā)揮作用（第3條技術(shù)途徑），來滿足對不同載荷的防護(hù)需求。鑒于此，局部質(zhì)量原理可用于防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)型式構(gòu)建。

3）重量補(bǔ)償原理。

依據(jù)重量補(bǔ)償原理，未找到可用于防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)型式構(gòu)建的具體技術(shù)途徑。

4）預(yù)操作原理。

將艙壁結(jié)構(gòu)分為幾部分，不同部位按時(shí)間順序分別與彈片及沖擊波發(fā)生作用，最終實(shí)現(xiàn)對2種聯(lián)合毀傷元的有效防護(hù)。結(jié)構(gòu)先接觸的部分可改變彈片的侵徹軌跡、消弱沖擊波的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)預(yù)操作的目的，削弱沖擊波和破片對后續(xù)結(jié)構(gòu)的毀傷程度，因此預(yù)操作原理可用于防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)型式構(gòu)建。

5）復(fù)制原理。

依據(jù)復(fù)制原理，未找到可用于防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)型式構(gòu)建的具體技術(shù)途徑。

6）廉價(jià)替代品原理。

在防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)型式構(gòu)建時(shí)，可盡量將艙壁分成小塊，易于更換；同時(shí)，對于毀傷嚴(yán)重的部位，可采用塑性變形能量強(qiáng)、價(jià)格便宜的材料。因此廉價(jià)替代品原理可用于選擇防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)型式構(gòu)建。

7）機(jī)械系統(tǒng)替代原理。

對于長桿彈或高速金屬射流的防護(hù)，有學(xué)者提出了電磁裝甲防護(hù)結(jié)構(gòu)的概念［20］，主要有2種方式：一種是通過電磁場力發(fā)射高能金屬板迎擊來襲目標(biāo)致其破壞或偏轉(zhuǎn)；另一種是通過電磁場加劇射流的不穩(wěn)定性，使射流發(fā)散而降低其侵徹能力［21］。主要應(yīng)用機(jī)械系統(tǒng)替代原理的第1條技術(shù)途徑，但防御對象均是單一目標(biāo)，與本問題的高速彈片群的多目標(biāo)性存在較大差別。原則上可采用機(jī)械系統(tǒng)的替代原理對分散性多目標(biāo)進(jìn)行防護(hù)，但目前尚無經(jīng)濟(jì)的技術(shù)途徑。

8）復(fù)合材料原理。

與鋼質(zhì)材料相比，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有比模量和比強(qiáng)度高、單位面密度吸能多等特點(diǎn)，抗侵徹性能優(yōu)良［22］。目前研究較多的高性能纖維主要有玻璃纖維、芳綸纖維、高強(qiáng)聚乙烯纖維、玄武巖纖維和碳纖維等［16］。在艙壁防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，可實(shí)現(xiàn)在等重量的情況下提高結(jié)構(gòu)的抗侵徹性能，因此復(fù)合材料原理可用于防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)型式構(gòu)建。

2.3.3 基于發(fā)明原理的防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)型式構(gòu)建

基于2.3.2小節(jié)所述的發(fā)明原理，結(jié)合沖擊動(dòng)力學(xué)和復(fù)合材料力學(xué)等專業(yè)領(lǐng)域知識，得到8種防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)型式概念方案。

2.3.3.1 方案1

方案1為疊層鋼質(zhì)艙壁結(jié)構(gòu)型式，由加強(qiáng)筋與接觸式多層鋼板組成，詳見圖5（a）所示。其技術(shù)原理是將沖擊波與彈片聯(lián)合作用下金屬厚板的延性擴(kuò)孔、剪切沖塞等耗能模式變?yōu)閺澢颖∧だ臁⒒ò觊_裂等耗能模式，從而提高艙壁的防護(hù)性能。該方案應(yīng)用的發(fā)明原理為分割。文獻(xiàn)［23-24］已提出了該結(jié)構(gòu)型式并重點(diǎn)對單個(gè)彈丸的抗侵徹特性開展了研究。

2.3.3.2 方案2

方案2為多層復(fù)合艙壁結(jié)構(gòu)型式，由鋼板與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板組成，根據(jù)復(fù)合材料板位置的不同，分為前置復(fù)合材料、后置復(fù)合材料及復(fù)合材料夾芯等型式，詳見圖5（b）所示。其技術(shù)原理如下：1）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單位面密度下吸能多，抗侵徹性能強(qiáng)；2）薄板在沖擊波作用下可產(chǎn)生彎曲與薄膜拉伸相疊加的變形模式，可加大能量吸收，從而提高了艙壁的防護(hù)性能。該方案應(yīng)用的發(fā)明原理為分割與復(fù)合材料。文獻(xiàn)［7-9，25］已對該結(jié)構(gòu)型式開展了初步研究，結(jié)果顯示較鋼質(zhì)艙壁的抗彈片防護(hù)性能有一定的提高。

2.3.3.3 方案3

方案3為金屬夾層艙壁結(jié)構(gòu)型式，主要由前、后面板及金屬夾芯層組成，夾芯層形狀包括梯形、半圓形等，詳見圖5（c）所示。其技術(shù)原理如下：1）在沖擊波的作用下，通過空間結(jié)構(gòu)的塑性大變形吸能；2）利用結(jié)構(gòu)的非均勻性，使彈片在侵徹過程中與防護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生多次碰撞，改變彈體侵徹軌跡，提高結(jié)構(gòu)的抗侵徹性能。該方案應(yīng)用的發(fā)明原理為分割與局部質(zhì)量。文獻(xiàn)［4-6］已對該結(jié)構(gòu)型式開展了初步研究，結(jié)果顯示較鋼質(zhì)艙壁其防護(hù)性能有一定的提高。

2.3.3.4 方案4

方案4為間隔式雙層鋼質(zhì)加筋板艙壁結(jié)構(gòu)型式，詳見圖5（d）所示。其技術(shù)原理如下：1）將厚板分割為雙層間隔板，在一定工況下可提高其抗侵徹性能；2）雙層板之間存在間隔，由于阻抗失配，當(dāng)入射沖擊波作用于第一層艙壁時(shí)發(fā)生反射，削弱了沖擊波強(qiáng)度，從而減弱了對后層艙壁的作用，提高了結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能。該方案應(yīng)用的發(fā)明原理為分割。

2.3.3.5 方案5

方案5為間隔式雙層復(fù)合艙壁結(jié)構(gòu)型式，主要由加筋鋼板與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板組成，兩者間留有一定的間隙，詳見圖5（e）所示。其技術(shù)原理如下：1）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單位面密度下吸能多，抗侵徹性能強(qiáng)；2）雙層艙壁之間存在間隙，由于阻抗失配，可使入射沖擊波產(chǎn)生反射，減弱對后層結(jié)構(gòu)的作用；3）薄鋼板的彎曲加薄膜拉伸變形模式加大吸能。該方案應(yīng)用的發(fā)明原理為分割與復(fù)合材料。文獻(xiàn)［25］已提出了該結(jié)構(gòu)型式，主要針對單個(gè)規(guī)則彈片的抗侵徹特性開展研究，對該結(jié)構(gòu)型式的抗沖擊性能目前尚未研究。

2.3.3.6 方案6

方案6也是間隔式雙層復(fù)合艙壁結(jié)構(gòu)型式，主要由加筋鋼板與可活動(dòng)式的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板組成，兩者間留有一定的間隙，與方案5相比，將復(fù)合材料板分割為小板塊，各板塊之間彈性連接且可以以連接線為軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，詳見圖5（f）所示。其技術(shù)原理如下：1）復(fù)合材料板具有較強(qiáng)的抗破片侵徹能力，可實(shí)現(xiàn)對來襲破片的隔離防護(hù)；2）在沖擊波的作用下，復(fù)合材料板之間為彈性連接，可在一定程度上活動(dòng)，當(dāng)沖擊波作用于塊狀復(fù)合材料板時(shí)，各板塊可產(chǎn)生以連接線為軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，最終將大部分沖擊波能量轉(zhuǎn)化為板塊的動(dòng)能，起到了大幅減弱沖擊波能量的作用，且小塊更容易維修替換；3）復(fù)合材料板與鋼質(zhì)艙壁之間的空隙一方面可以為復(fù)合材料板在破片侵徹作用下的變形留有足夠的空間，便于發(fā)揮復(fù)合材料板的抗侵徹功能，另一方面還可使沖擊波在空隙處由于阻抗失配產(chǎn)生反射，減弱對內(nèi)部鋼質(zhì)艙壁的毀傷；4）薄鋼質(zhì)艙壁通過彎曲加薄膜拉伸變形模式加大吸能，可進(jìn)一步提高抗沖擊性能。該方案應(yīng)用的發(fā)明原理為分割、復(fù)合材料與廉價(jià)替代品。

2.3.3.7 方案7

方案7也是間隔式雙層復(fù)合艙壁結(jié)構(gòu)型式，由填充式金屬夾芯結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)筋和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板組成。填充式金屬夾芯結(jié)構(gòu)位于外側(cè)，其與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板間留有一定的間隙，詳見圖5（g）所示。其中，填充式金屬夾芯結(jié)構(gòu)由夾芯層、前面板、填充層和后面板組成。前、后面板及夾芯層的材料為鋼，填充層材料為閉孔聚氨酯泡沫。其技術(shù)原理如下：1）填充式金屬夾芯結(jié)構(gòu)利用芯層的塑性變形及填充材料的壓縮吸能，可有效衰減沖擊波的強(qiáng)度，減小彈片的侵徹速度，改變其侵徹方向及降低對后續(xù)結(jié)構(gòu)的侵徹能力；2）內(nèi)層纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板利用纖維破壞時(shí)的高效吸能，逐步降低彈片的侵徹能力，直至實(shí)現(xiàn)對破片的完全防御；3）內(nèi)、外層之間的間隔，利用界面波阻抗失配引起的界面沖擊波反射，可大大降低沖擊波向內(nèi)層結(jié)構(gòu)的傳遞。該方案應(yīng)用的發(fā)明原理為分割、局部質(zhì)量、預(yù)操作與復(fù)合材料。

2.3.3.8 方案8

方案8為廣義上的防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)型式，由液艙、普通鋼壁及間隙組成，詳見圖5（h）所示。其技術(shù)原理如下：1）利用水的阻力，當(dāng)彈片作用于液艙時(shí)速度逐漸衰減，到達(dá)液艙后端時(shí)速度衰減至零；2）沖擊波可在液體中傳播；當(dāng)沖擊波到達(dá)水艙的后壁時(shí)，由于水艙后壁為空氣間隙，受阻抗失配的影響，沖擊波大部分被反射到液體中，剩余的部分經(jīng)過空氣間隙的衰減，作用到艙壁結(jié)構(gòu)的壓力很小。該方案應(yīng)用的發(fā)明原理為分割、局部質(zhì)量與廉價(jià)替代品。

圖5 防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)概念型式方案Fig.5 Concept configuration of hull protective bulkhead

3 不同結(jié)構(gòu)型式概念方案總結(jié)與分析

3.1 不同結(jié)構(gòu)型式概念方案總結(jié)

針對艦船防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)型式，本文共列舉了8種概念方案，包括前人給出的4種方案（方案1，2，3和5）以及本文提出的4種方案（方案4，6，7和8）。

8種概念方案大致分為2類，一類是廣義的單層艙壁結(jié)構(gòu)型式，包括方案1，2和3；一類是間隔式雙層艙壁結(jié)構(gòu)型式，包括方案4～8。

方案1，2和3的空間資源占用相對較小，結(jié)構(gòu)型式相對簡單，3種結(jié)構(gòu)型式的抗侵徹性能或抗沖擊性能較常規(guī)艙壁結(jié)構(gòu)型式有一定的提高，通過開展進(jìn)一步的研究，可應(yīng)用于實(shí)際工程。

方案4，5結(jié)構(gòu)型式簡單，工程可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)，目前主要針對其抗彈片侵徹性能開展了研究工作，后續(xù)應(yīng)對其抗沖擊性能進(jìn)行研究。

方案6，7采用了多種發(fā)明原理，對不同的防護(hù)機(jī)理進(jìn)行了集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對彈片和沖擊波2種毀傷載荷的同時(shí)防御，特點(diǎn)是占用空間小、對原船的布置影響小。其防護(hù)機(jī)理與目前研究的結(jié)構(gòu)形式存在較大的差異，后續(xù)應(yīng)對其抗侵徹、抗沖擊機(jī)理進(jìn)行研究。

方案8通過對現(xiàn)有資源的合理分配，實(shí)現(xiàn)了彈片和沖擊波2種毀傷載荷的同時(shí)防御，特點(diǎn)是資源消耗少，重量代價(jià)小，成本不增加，但由于在原艙室周圍需要布置液體水艙等，對原船液艙的布置改變較大，后續(xù)需進(jìn)一步開展應(yīng)用研究。

綜上所述，方案6，7和8從原理上均能較好地提高防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)的抗爆性能，且各有特點(diǎn)，是后續(xù)研究的重點(diǎn)。

各方案構(gòu)建所采用的發(fā)明原理參見表4。從中可以看出，主要采用了分割、復(fù)合材料、局部質(zhì)量、預(yù)操作和替代這5條發(fā)明原理，其中分割和復(fù)合材料原理使用較多。

表4 防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)型式概念方案匯總Table 4 Summary of hull protective bulkhead design

3.2 艦船防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)構(gòu)建原理分析

利用TRIZ理論共得到8條發(fā)明原理，其中5條原理已在本文所述防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)概念方案構(gòu)建中得到應(yīng)用。此外，文獻(xiàn)中提及的結(jié)構(gòu)概念型式也都滿足上述發(fā)明原理，說明這些原理在艦船防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)概念方案構(gòu)建中具有一定的普適性。給結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)提供了一種思路，即可基于分割、復(fù)合材料、局部質(zhì)量、預(yù)操作和廉價(jià)替代品這5條發(fā)明原理進(jìn)行結(jié)構(gòu)概念方案構(gòu)建，使得防護(hù)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)有一定的規(guī)則可循，大大提高了防護(hù)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的效率。所需解決的問題轉(zhuǎn)變?yōu)榱巳绾慰茖W(xué)、合理地應(yīng)用這些原理提高結(jié)構(gòu)的防護(hù)效能。

可以預(yù)見，新的防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)型式的提出將會綜合使用上述多種發(fā)明原理，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。

4 結(jié) 語

1）基于TRIZ理論，通過技術(shù)沖突分析方法及解決理論，合理利用系統(tǒng)資源，構(gòu)建了8種防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)概念型式方案，詳述了各方案的組成結(jié)構(gòu)及技術(shù)原理，可為艦船防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究提供參考。

2）艦船防護(hù)艙壁結(jié)構(gòu)概念方案構(gòu)建主要采用了5條發(fā)明原理，包括分割、復(fù)合材料、局部質(zhì)量、預(yù)操作和廉價(jià)替代品。這些發(fā)明原理具有一定的普適性，使得防護(hù)結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)有一定的原理可循，為新的防護(hù)結(jié)構(gòu)型式的提出提供了技術(shù)途徑，可有效提高防護(hù)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的效率。