空中爆炸載荷作用下艦船結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究

李永正，崔 凱，王 珂，曹廣博

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.渤海船舶職業(yè)學(xué)院 船舶工程系，遼寧 興城 125001)

0 引 言

傳統(tǒng)艦船船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)主要是考慮自然環(huán)境載荷作用下的堅(jiān)固性和可靠性問(wèn)題，而對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境毀傷載荷，在規(guī)范設(shè)計(jì)中考慮較少[1]。隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，反艦武器的命中精度、攜帶藥量以及隱蔽性等性能的迅速提升，對(duì)艦船造成嚴(yán)重威脅。來(lái)自空中不同形式的反艦武器，會(huì)對(duì)船體結(jié)構(gòu)造成不同程度的毀傷[2]，致使艦船后生命力出現(xiàn)下降，嚴(yán)重威脅艦船的持續(xù)作戰(zhàn)能力以及船員的生命安全[3]。因此，如何保證艦船在海戰(zhàn)中有持續(xù)的作戰(zhàn)能力、提高大型艦船在各類反艦武器的打擊下仍能維持有效的生命力，成為各國(guó)海軍目前研究的焦點(diǎn)。

本文內(nèi)容主要分為兩部分：在空中接觸爆炸載荷作用下，對(duì)某艦船典型艙室動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)爆炸沖擊波的傳播，結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行研究；在典型艙室內(nèi)部爆炸載荷作用下，對(duì)艙室結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析內(nèi)爆載荷對(duì)艦船艙室的毀傷效果，并與強(qiáng)力甲板外部接觸爆炸進(jìn)行對(duì)比，得出2 種不同攻擊方式下，艦船艙段的響應(yīng)特點(diǎn)及規(guī)律，為后續(xù)艦船結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)提供參考。

1 空中爆炸沖擊波傳播理論

1.1 空中爆炸沖擊波傳播規(guī)律

炸藥在空中爆炸時(shí)，化學(xué)能迅速加熱爆轟產(chǎn)物，使其處于高溫高壓狀態(tài)，其爆轟壓力達(dá)到(1～2)×1010Pa以上，爆炸產(chǎn)物在空氣中膨脹，其結(jié)果是在爆炸產(chǎn)物中形成反射稀疏波，而在空氣內(nèi)形成沖擊波[4-5]。沖擊波形成之初的壓力較高，隨后一方面沖擊波波陣面在向外傳播的過(guò)程中壓力迅速下降，另一方面，爆炸產(chǎn)物鄰層空氣壓力隨著爆炸產(chǎn)物的膨脹而迅速下降，過(guò)程可由圖1 來(lái)描述。當(dāng)爆炸產(chǎn)物平均壓力降低到大氣壓力 p0時(shí)，沖擊波正壓作用結(jié)束，并進(jìn)入負(fù)壓作用區(qū)，當(dāng)爆炸產(chǎn)物過(guò)膨脹后反向壓縮時(shí)，則一個(gè)帶正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)的完整空氣沖擊波才脫離爆炸產(chǎn)物獨(dú)自傳播[6]?？諝鉀_擊波獨(dú)立傳播過(guò)程中，由于沖擊波波陣面壓力高，沖擊波波速D 較正壓區(qū)尾部低壓區(qū)接近于聲速 c0的傳播速度要高，因此正壓區(qū)域?qū)⒉粩嗬瓕?，但?fù)壓區(qū)幾乎都是以聲速 c0運(yùn)動(dòng)，其寬度幾乎不變[7]。

圖1 空中爆炸沖擊波傳播原理圖Fig.1 Schematic diagram of air explosion shock wave propagation

1.2 空中爆炸沖擊波指征參數(shù)

鑒于沖擊波能量主要集中在正壓區(qū)，爆炸沖擊波的破壞作用主要用以下3 個(gè)參數(shù)進(jìn)行度量[8]：

1）沖擊波的峰值超壓即波陣面的壓力，用Δpm表示；

2）正壓區(qū)的作用時(shí)間即沖擊波正壓持續(xù)時(shí)間，用τ+表示；

3）比沖量（沖量密度），即正壓區(qū)壓力函數(shù)對(duì)時(shí)間的積分，用 I+表示。

這三者之間的關(guān)系表達(dá)式如下：

大量研究結(jié)果顯示，炸藥在空中爆炸時(shí)存在相似律。因此，根據(jù)相似理論，通過(guò)量綱分析得到?jīng)_擊波峰值超壓、正壓區(qū)作用時(shí)間、比沖量等參數(shù)的函數(shù)表達(dá)式，再由試驗(yàn)確定函數(shù)中的系數(shù)。求得的經(jīng)驗(yàn)公式中，常通過(guò)比例距離Z 來(lái)表示沖擊波特征參數(shù)。比例距離的定義為：

式中：R 為測(cè)點(diǎn)與爆心之間的距離，即爆距，m；W 為裝藥量，kg。

2 計(jì)算模型

2.1 有限元模型

本文利用有限元分析軟件MSC.Patran 建立全船有限元模型。有限元模型共包含382 169 個(gè)節(jié)點(diǎn)、584 176個(gè)單元。為了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，模型平均單元尺寸小于0.2 m×0.2 m。其中首部典型艙室長(zhǎng)度為11.5 m，艙室寬度為16.5 m，艙室高度為2.75 m，首部強(qiáng)力甲板設(shè)有7 根縱向絎材，其中靠近中部的5 根縱絎之間甲板厚度為6 mm，向外依次為8 mm 與14 mm，甲板邊板板厚為14 mm，艙室內(nèi)設(shè)置有5 根支柱。首部3 艙段模型及典型橫剖面結(jié)構(gòu)如圖2 和圖3 所示。

圖2 首部3 艙段有限元模型Fig.2 Finite element model of three cabin segments of bow

圖3 首部艙段橫剖面示意圖Fig.3 Cross section map of the bow compartment section

2.2 材料狀態(tài)方程

全船所用材料為907A，921A 高強(qiáng)度鋼，采用馮米塞斯屈服模型，材料的彈性模量為2.1×1011Pa，密度為7 800 kg/m3，泊松比為0.3。其中高強(qiáng)度鋼907A 屈服應(yīng)力為492 MPa，最大塑性應(yīng)變 ε為0.25，應(yīng)變率敏感參數(shù)為：D=6 180，p=1.56；高強(qiáng)度鋼921A 屈服應(yīng)力為719 MPa，最大塑性應(yīng)變?yōu)?.25，應(yīng)變率敏感參數(shù)為：D=42 306，p=2.116[9]。

式中：σd為動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力，MPa；σy為靜態(tài)屈服應(yīng)力，MPa；為等效應(yīng)變率；E，Eh，εp為分別為彈性模量，硬化模量，等效塑性應(yīng)變。

由于ROE 算法[10]不支持多歐拉材料的計(jì)算，因此，本文將采用采用Gamma 律狀態(tài)方程EOSFAM 對(duì)空氣以及炸藥來(lái)進(jìn)行描述，Gamma 律狀態(tài)方程為：

式中：e 為單位質(zhì)量比內(nèi)能，kJ/kg。其中空氣比內(nèi)能為2.1×105kJ/kg，炸藥采用高能密度空氣來(lái)進(jìn)行模擬，比內(nèi)能為4.4×106kJ/kg；ρ為氣體密度，kg/m3，空氣為1.2 kg/m3，炸藥為1 600 kg/m3；γ為比熱比，取1.4。

為了真實(shí)模擬艦船在空中爆炸載荷作用下，船體外部以及各艙室之間空氣的傳播情況，數(shù)值模擬過(guò)程將采用多歐拉耦合計(jì)算的方法?？諝庥虻臍W拉網(wǎng)格采用Dytran 中BOX 卡片進(jìn)行建立，艦船外部的空氣域尺寸設(shè)置為 20 m×20 m×20 m，并通過(guò)MSC.Dytran[11-12]中BIAS 卡片將空氣域設(shè)置為漸變分布的形式。

2.3 計(jì)算工況

一般來(lái)說(shuō)，艦船受到來(lái)自空中武器的打擊主要包括航空炸彈和精確制導(dǎo)導(dǎo)彈2 種方式。船體在受到航空炸彈攻擊時(shí)，破壞方式一般為接觸爆炸，而且破壞目標(biāo)多集中在強(qiáng)力甲板上。考慮到較危險(xiǎn)的情況，本文將爆點(diǎn)位置設(shè)置為強(qiáng)力甲板船中位置處，具體位置如圖4 所示。而反艦導(dǎo)彈不是在接觸到船體結(jié)構(gòu)后第一時(shí)間發(fā)生爆炸，而是依靠彈頭的沖擊動(dòng)能，穿透艦船外殼進(jìn)入艦體內(nèi)部后發(fā)生爆炸。典型反艦導(dǎo)彈突防速度為3 Ma，對(duì)艦船毀傷作用最佳延遲為10～15 ms之間[9]，考慮到導(dǎo)彈穿甲后的動(dòng)能損失，將爆點(diǎn)位置設(shè)置為距離舷側(cè)8.5 m 處，如圖5 所示。藥量選取常規(guī)武器中100～300 kgTNT 炸藥當(dāng)量，具體工況如表1 所示。

圖4 首部艙室爆點(diǎn)位置示意圖Fig.4 Diagram of the explosion position of typical compartment

圖5 首部艙室爆點(diǎn)位置示意圖Fig.5 Diagram of the explosion position of typical compartment

表1 計(jì)算工況表Tab.1 Calculation condition table

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 甲板接觸爆炸動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究

3.1.1 甲板接觸爆炸沖擊波傳播特點(diǎn)研究

由于不同位置的艙段在強(qiáng)力甲板受到接觸爆炸載荷作用時(shí)的沖擊波傳播具有類似的特征，因此以工況s-300 為例進(jìn)行說(shuō)明。圖6（a）為0.5 ms 時(shí)刻艙內(nèi)外歐拉域壓力分布云圖，緊貼在主甲板外表面的炸藥發(fā)生爆炸，此時(shí)爆點(diǎn)附近壓力為38.30 MPa，主甲板結(jié)構(gòu)在沖擊波瞬時(shí)作用下產(chǎn)生初始破口。沖擊波作用1.5 ms時(shí)，船體外側(cè)的沖擊波在艙段外部的空氣中以爆點(diǎn)為中心呈球狀向外擴(kuò)散，另一部分沖擊波則通過(guò)主甲板破口傳遞到艙室內(nèi)部，并在艙室內(nèi)部擴(kuò)散，此時(shí)船體外部爆炸沖擊波波陣面壓力為2.30 MPa，艙室內(nèi)部沖擊波波陣面壓力為1.57 MPa，遠(yuǎn)小于爆炸之初沖擊波波陣面的壓力峰值。沖擊波作用5 ms 時(shí)，船體外沖擊波波陣面已經(jīng)到達(dá)舷側(cè)部分，艙室內(nèi)部沖擊波則慢于外側(cè)沖擊波，外部沖擊波最大壓力為0.69 MPa，艙室內(nèi)部壓力為0.56 MPa。沖擊波作用8 ms 時(shí)，船體外側(cè)沖擊波已經(jīng)擴(kuò)散至自由空氣域外，艙室內(nèi)部沖擊波則在舷側(cè)處發(fā)生匯聚現(xiàn)象，匯聚后的壓力為1.11 MPa。之后艙室內(nèi)沖擊波經(jīng)過(guò)多次反彈，壓力逐漸減小，直至能量被艙室結(jié)構(gòu)完全吸收，結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 s-300 工況空氣域壓力分布云圖Fig.6 Pressure distribution cloud map of air domain in s-300 working condition

3.1.2 甲板接觸爆炸艙段應(yīng)力分布特點(diǎn)研究

圖7 為工況s-300 不同時(shí)刻結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖。為了更加清楚地觀察艙段內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況，圖中有限元模型為一半模型。圖7（a）為1 ms 時(shí)刻艙段結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，此時(shí)炸藥剛發(fā)生爆炸，強(qiáng)力甲板在炸藥的作用發(fā)生沖塞凹陷、斷裂，產(chǎn)生初始破口，開裂結(jié)構(gòu)獲得了初始動(dòng)能。圖7（b）為爆炸發(fā)生后2 ms 時(shí)刻結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，由于橫向變形所引起的環(huán)向應(yīng)變使破口邊緣產(chǎn)生了徑向開裂，之后裂紋沿著徑向繼續(xù)擴(kuò)展，由開裂的板塊向內(nèi)翻轉(zhuǎn)形成對(duì)稱的花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)，強(qiáng)力甲板高應(yīng)力區(qū)域呈圓形向外擴(kuò)散，下層甲板在艙室內(nèi)部沖擊波的作用下開始出現(xiàn)塑性變形區(qū)。圖7（c）為爆炸發(fā)生后5 ms 時(shí)刻結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖，應(yīng)力波傳播至臨近艙室結(jié)構(gòu)。圖7（d）為8 ms 時(shí)刻，艙室內(nèi)部沖擊波傳遞至艙室舷側(cè)及橫艙壁處，該處出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)域。破口周圍結(jié)構(gòu)由于沖擊波的作用，產(chǎn)生塑性變形，且塑性變形面積隨著時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸加大，當(dāng)板的初始動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為花瓣的斷裂能和耗散能后，裂紋擴(kuò)展停止，舷側(cè)外板達(dá)到穩(wěn)定。

由圖7 可以得到，在接觸爆炸載荷作用下，甲板應(yīng)力范圍主要呈圓形逐漸擴(kuò)大，高應(yīng)力區(qū)域集中在炸藥所在的艙室的強(qiáng)力甲板范圍內(nèi)，臨近艙室強(qiáng)力甲板受到的影響相對(duì)較小，說(shuō)明接觸爆炸時(shí)，結(jié)構(gòu)迎爆面一側(cè)的沖擊波為主要作用載荷，且具有較強(qiáng)的局部效應(yīng)，強(qiáng)力甲板高應(yīng)力區(qū)主要集中在靠近船中6 mm 板厚區(qū)域。

3.1.3 甲板接觸爆炸艙段結(jié)構(gòu)吸能研究

為了說(shuō)明在接觸爆炸載荷作用下，艙段結(jié)構(gòu)損傷過(guò)程，圖8 給出了工況s-300 下，炸藥所在艙室強(qiáng)力甲板、下甲板、橫艙壁以及舷側(cè)結(jié)構(gòu)的吸能情況?？梢钥闯?，當(dāng)爆炸發(fā)生時(shí)，強(qiáng)力甲板吸能量迅速增加；沖擊波傳播10 ms 時(shí)刻后，3 個(gè)典型艙段下甲板、橫艙壁以及舷側(cè)結(jié)構(gòu)吸能均開始逐漸增加，結(jié)構(gòu)距離爆點(diǎn)越遠(yuǎn)，其吸能開始上升的時(shí)刻越晚；40 ms 后3 個(gè)典型艙段各結(jié)構(gòu)吸能逐漸趨于平穩(wěn)。為了量化艙室中各個(gè)結(jié)構(gòu)的吸能情況，將工況s-300 各結(jié)構(gòu)吸能量及占比見(jiàn)表2。

圖8 接觸爆炸不同結(jié)構(gòu)吸能曲線Fig.8 Deformation energy curves of different regional structures in contact explosion

表2 典型艙段不同結(jié)構(gòu)吸能對(duì)比Tab.2 Comparison of deformation energy of different area structures in typical cabin segments

由表2 可知，艙室強(qiáng)力甲板吸能占50%以上，艙室的下甲板、橫艙壁與舷側(cè)結(jié)構(gòu)吸能量各占15%，其中下甲板略多，這是由于下甲板迎爆面距離破口比橫艙壁和舷側(cè)結(jié)構(gòu)近，經(jīng)由破口傳入艙室內(nèi)部的沖擊波對(duì)下甲板的毀傷程度會(huì)大于橫艙壁與舷側(cè)結(jié)構(gòu)。

3.2 艙室內(nèi)部爆炸載荷動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究

3.2.1 艙室內(nèi)部爆炸沖擊波傳播特點(diǎn)研究

艙室內(nèi)部發(fā)生爆炸時(shí)，爆炸沖擊波的傳播特點(diǎn)與船體接觸爆炸有著較大的區(qū)別。圖9 為工況s-n-300 在艙室不同時(shí)刻壓力分布云圖。圖9（a）為0.5 ms 時(shí)刻艙室內(nèi)部壓力分布云圖，此時(shí)為爆炸初始時(shí)刻，上下甲板迎爆面首先受到?jīng)_擊，壓力峰值為36.80 MPa。圖9（b）為3 ms 時(shí)刻沖擊波傳播至艙段中部壓力分布云圖，沖擊波波陣面峰值為2.73 MPa。圖9（c）為5 ms時(shí)沖擊波到達(dá)舷側(cè)結(jié)構(gòu)，由于1 甲板上的折角線設(shè)計(jì)，艙室下邊緣出現(xiàn)匯聚現(xiàn)象，此時(shí)艙室內(nèi)部壓力峰值為3.51 MPa。圖9（d）為7 ms 時(shí)刻沖擊波在舷側(cè)結(jié)構(gòu)的作用下發(fā)生反射現(xiàn)象，此刻沖擊波波陣面峰值為1.28 MPa。反射后的沖擊波經(jīng)上下甲板破口傳播至船體外側(cè)與下層艙室，并經(jīng)過(guò)多次反射，隨著能量逐漸被破損結(jié)構(gòu)吸收以及擴(kuò)散至船體外部，艙室壓力逐漸恢復(fù)至與外界大氣壓力相同，結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 s-n-300 工況艙室壓力分布云圖Fig.9 Distribution cloud map of compartment pressure in s-n-300 working conditions

3.2.2 艙室內(nèi)部爆炸應(yīng)力分布研究

圖10 為工況s-n-300 不同時(shí)刻結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖?？梢钥闯?，圖10（a）為爆炸后1 ms 時(shí)艙段結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，此時(shí)炸藥剛發(fā)生爆炸，爆炸所產(chǎn)生的沖擊波作用于艙室上下甲板，使得甲板區(qū)域應(yīng)力以炸藥為中心呈圓形向外擴(kuò)散，甲板結(jié)構(gòu)在炸藥的作用下產(chǎn)生初始破口，開裂的結(jié)構(gòu)獲得了初始動(dòng)能。圖10（b）為爆炸發(fā)生后的3 ms 時(shí)刻，此時(shí)沖擊波達(dá)到橫艙壁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力大面積升高，均達(dá)到400 MPa 以上。圖10（c）為5 ms 時(shí)刻艙段結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，沖擊波在舷側(cè)結(jié)構(gòu)下緣、橫艙壁結(jié)構(gòu)四周角隅處出現(xiàn)匯聚現(xiàn)象，該處結(jié)構(gòu)出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)域，部分結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)撕裂破壞。圖10（d）為7 ms 時(shí)刻，沖擊波波陣面開始向爆炸中心反射，炸藥所在艙室結(jié)構(gòu)整體處于較高的應(yīng)力狀態(tài)，橫艙壁四周角隅處出現(xiàn)大面積撕裂破壞，艙段結(jié)構(gòu)最高應(yīng)力值有所下降。

圖10 首部艙段結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布半剖圖Fig.10 Semi-sectional diagram of stress distribution in the structure of the Bow compartment

由艙室內(nèi)部爆炸沖擊波的傳播規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，艙室上下甲板迎爆面距離爆炸中心較近，首先受到?jīng)_擊波的作用，由于此時(shí)沖擊波能量較強(qiáng)，因此上下甲板均出現(xiàn)破損情況；在沖擊波匯聚效應(yīng)的作用下，艙室四周角隅處的應(yīng)力值明顯高于其他區(qū)域結(jié)構(gòu)，由于舷側(cè)結(jié)構(gòu)采用的多為921A 高強(qiáng)度鋼，板厚為12 mm，而橫艙壁采用的材料為907A 高強(qiáng)鋼，板厚為4 mm，因此相較于舷側(cè)結(jié)構(gòu)而言，橫艙壁結(jié)構(gòu)的破壞程度遠(yuǎn)比舷側(cè)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重，其角隅處出現(xiàn)大面積撕裂破壞；當(dāng)船體結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定時(shí)，破損區(qū)域主要為艙室上下甲板迎爆面處與橫艙壁角隅處，即第1 次作用于上下甲板的沖擊波以及艙室角隅處匯聚的沖擊波為艙室內(nèi)部爆炸破壞的主要原因。

3.2.3 艙室內(nèi)部爆炸結(jié)構(gòu)吸能研究

由圖11 可得艙室內(nèi)部發(fā)生爆炸時(shí)各結(jié)構(gòu)的吸能變化過(guò)程為：炸藥發(fā)生爆炸后，在沖擊波載荷作用下艙室內(nèi)各結(jié)構(gòu)吸能迅速增加，在上升過(guò)程中，吸能曲線的增長(zhǎng)速度均經(jīng)歷了1～2 次的先快后慢的過(guò)程，50 ms后，艙室內(nèi)各結(jié)構(gòu)的吸能基本趨于平穩(wěn)。這與沖擊波的傳播過(guò)程可以一一對(duì)應(yīng)，當(dāng)沖擊波在艙室結(jié)構(gòu)相交處出現(xiàn)匯聚現(xiàn)象時(shí)，結(jié)構(gòu)的吸能增長(zhǎng)速度較快，當(dāng)沖擊波發(fā)生反射后，吸能增長(zhǎng)速度逐漸放緩。為了量化不同典型艙室的吸能情況，將不同典型艙室在相同炸藥當(dāng)量下各結(jié)構(gòu)吸能量以及比吸能情況列于表3。

由表3 可以看出，炸藥在發(fā)生爆炸后，能量主要轉(zhuǎn)化為兩部分，一部分為由結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變引起的吸能，另一部分為艙室強(qiáng)力甲板破損后擴(kuò)散至船體外部的能量。相同炸藥當(dāng)量下，艙室空間越小，炸藥對(duì)強(qiáng)力甲板造成的破口尺寸越大，炸藥能量擴(kuò)散至船體外部的速度越快。各部分結(jié)構(gòu)中，艙室強(qiáng)力甲板吸能量約占總吸能量的39%，下甲板約為29%，橫艙壁與舷側(cè)結(jié)構(gòu)各占不到20%。由此可見(jiàn)，艦船在受到相同炸藥當(dāng)量艙室內(nèi)部爆炸載荷作用時(shí)，迎爆艙室主要吸能結(jié)構(gòu)為強(qiáng)力甲板和下甲板結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)距爆點(diǎn)的距離、結(jié)構(gòu)形式以及結(jié)構(gòu)板材的厚度均對(duì)結(jié)構(gòu)吸能有很大影響。

圖11 不同結(jié)構(gòu)吸能時(shí)間歷程曲線Fig.11 The time history curve of deformation energy of different regional structures

表3 典型艙段不同結(jié)構(gòu)吸能對(duì)比Tab.3 Comparison of deformation energy of different area structures in typical cabin segments

3.3 對(duì)比研究分析

通過(guò)對(duì)艙室內(nèi)部爆炸與甲板外部接觸爆炸沖擊波的傳播過(guò)程對(duì)比研究可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)艙室內(nèi)部發(fā)生爆炸時(shí)，爆炸所產(chǎn)生的沖擊波集中于艙室內(nèi)部，空間相對(duì)密閉，能量大部分由艙室結(jié)構(gòu)吸收；沖擊波在艙室內(nèi)部出現(xiàn)多次反射、匯聚現(xiàn)象，其強(qiáng)度遠(yuǎn)比外部接觸爆炸在艙室內(nèi)部的沖擊波強(qiáng)度大得多；艙室內(nèi)部爆炸所產(chǎn)生的沖擊波持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)比甲板外部接觸爆炸所產(chǎn)生的沖擊波作用時(shí)間長(zhǎng)，因此相同當(dāng)量下，前者對(duì)船體結(jié)構(gòu)的破壞作用要大于后者。

通過(guò)對(duì)艙室內(nèi)部爆炸與甲板外部接觸爆炸艙室應(yīng)力的分布規(guī)律對(duì)比研究可以發(fā)現(xiàn)，甲板外部接觸爆炸高應(yīng)力區(qū)域主要為強(qiáng)力甲板，而且呈現(xiàn)以炸藥為中心圓形向外分布，應(yīng)力升高到趨于平穩(wěn)的時(shí)間較短；艙室內(nèi)部爆炸作用下，艙室內(nèi)部結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)域，由于沖擊波的匯聚效應(yīng)，艙室角隅處的應(yīng)力值有著顯著的提高，結(jié)構(gòu)應(yīng)力趨于平穩(wěn)前的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。由此可見(jiàn)，相同炸藥當(dāng)量下艙室內(nèi)爆載荷的破壞范圍要大于甲板接觸爆炸載荷的破壞范圍。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)艦船結(jié)構(gòu)在空中接觸爆炸作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)問(wèn)題，對(duì)某艦船典型艙室動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)爆炸沖擊波的傳播，結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程以及破損區(qū)域進(jìn)行研究。在典型艙室內(nèi)部爆炸載荷作用下，對(duì)艙室結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析內(nèi)爆載荷對(duì)艦船艙室的毀傷效果，并與強(qiáng)力甲板外部接觸爆炸進(jìn)行了對(duì)比，得到的主要結(jié)論如下：

1）接觸爆炸沖擊波波陣面壓力峰值隨著擴(kuò)散迅速降低，大部分沖擊波的能量消散至船體外側(cè)的大氣中；船體結(jié)構(gòu)破損區(qū)域有著較強(qiáng)的局部性，毀傷以爆點(diǎn)周圍大破口、破口周圍小范圍塑性變形為主。隨著距離爆點(diǎn)的增加，甲板塑性變形量迅速降低。甲板結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊波的作用下出現(xiàn)較大彈性變形，最終塑性變形較?。粡?qiáng)力甲板接觸爆炸載荷作用下，艙室結(jié)構(gòu)總吸能隨著炸藥當(dāng)量的增加而增加。其中艙室強(qiáng)力甲板的吸能量遠(yuǎn)大于艙室其他結(jié)構(gòu)，為主要吸能區(qū)域，艙室空間大小、強(qiáng)力甲板下骨材數(shù)量和形式對(duì)強(qiáng)力甲板整體吸能量影響較小。

2）艙室內(nèi)部爆炸沖擊波會(huì)在迎爆艙室內(nèi)部出現(xiàn)多次匯聚、反射現(xiàn)象，第1 次沖擊波波陣面壓力峰值大，沖擊波匯聚后作用于艙室結(jié)構(gòu)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)迎爆艙室所有結(jié)構(gòu)均產(chǎn)生較為嚴(yán)重的毀傷效果；艙室內(nèi)部爆炸載荷造成的毀傷區(qū)域主要為迎爆艙室上下甲板結(jié)構(gòu)以及橫艙壁結(jié)構(gòu)，其中上下甲板結(jié)構(gòu)以大破口以及角隅大塑性變形為主，橫艙壁以結(jié)構(gòu)邊緣大面積撕裂破壞為主。甲板結(jié)構(gòu)在沖擊波作用下所產(chǎn)生的變形主要為塑性變形；迎爆艙室結(jié)構(gòu)吸能總量隨著炸藥當(dāng)量的增加而增加，迎爆艙室空間尺寸越大，艙室結(jié)構(gòu)總吸能量越高，迎爆艙室空間尺寸越小，艙室結(jié)構(gòu)比吸能越高。

3）相同炸藥當(dāng)量情況下，艙室內(nèi)部爆炸沖擊波作用時(shí)間遠(yuǎn)比外部接觸爆炸沖擊波作用時(shí)間長(zhǎng)，且造成的毀傷程度和毀傷面積遠(yuǎn)比外部接觸爆炸沖擊波造成的大；相同炸藥當(dāng)量情況下，艙室內(nèi)部爆炸對(duì)強(qiáng)力甲板相同位置造成的塑性變形量大于外部接觸爆炸；艙室內(nèi)部爆炸載荷作用下的迎爆艙室結(jié)構(gòu)吸能總量遠(yuǎn)大于外部接觸爆炸載荷。