李俊承，余春祥，牛公杰，李會敏

(中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽621900)

0 引 言

大型艦船是現(xiàn)代攻防作戰(zhàn)體系中常使用的海上平臺，而反艦導彈是打擊艦船的主要武器裝備。目前反艦導彈多采用半穿甲戰(zhàn)斗部，穿透艦船外殼進入艦體內(nèi)部爆炸，不僅對艦體結(jié)構(gòu)造成嚴重破壞，還對艙內(nèi)儀器和人員構(gòu)成致命威脅［1］。因此，艦船艙室在內(nèi)部爆炸載荷下的毀傷情況成了艦船設計與導彈研發(fā)雙方都十分關(guān)注的問題。

反艦戰(zhàn)斗部侵入到艙室內(nèi)部爆炸，主要的毀傷要素是爆炸產(chǎn)物和爆炸沖擊波。由于艙室的密封效應，爆炸沖擊波在艙內(nèi)多次反射，艙內(nèi)流場遠比自由大氣中爆炸情況復雜，毀傷效果也更強［2］。開展艙室內(nèi)爆研究，了解密閉/半密閉空間爆炸載荷特性以及結(jié)構(gòu)破壞機理，對提高艦船生命力以及反艦武器毀傷效果評估都具有重要的工程應用價值。

本文在調(diào)研典型艦船艙室結(jié)構(gòu)特性基礎(chǔ)上，針對反艦導彈掠海側(cè)舷攻擊和頂部攻擊2 種模式，分別建立了3 ×3 ×1 多艙室結(jié)構(gòu)模型。采用LS -DYNA 模擬分析了多個艙室結(jié)構(gòu)在內(nèi)部爆炸沖擊載荷作用下的變形和破壞過程，對炸藥在艙內(nèi)爆炸的毀傷特點以及艙室結(jié)構(gòu)的破壞機理進行研究分析，對比同裝藥量、不同攻擊模式下的多艙室毀傷結(jié)果。研究分析結(jié)果對艦船內(nèi)部防爆結(jié)構(gòu)設計以及反艦武器毀傷效果評估都具有一定的參考意義。

1 仿真分析模型

1.1 算法選取

在分析的問題中，涉及流體流動、固體大變形以及流體與固體在復雜載荷條件下的相互作用等問題。LS - DYNA 程序中提供了Lagrange，Euler和ALE (任意拉格郎日歐拉算法)3 種不同算法來描述流體與固體的相互耦合作用，其中ALE 算法兼具Lagrange 算法和Euler 算法的優(yōu)點，在結(jié)構(gòu)邊界運動處理上能有效地跟蹤物質(zhì)結(jié)構(gòu)邊界;同時在求解過程中網(wǎng)格還可以根據(jù)定義的參數(shù)適當調(diào)整位置，克服網(wǎng)格嚴重畸變的問題［3］。因此，本文中選取LS -DYNA 程序提供的ALE 算法建立流體與固體間的聯(lián)系，實現(xiàn)流固耦合的動態(tài)分析，模擬炸藥在艙室內(nèi)爆炸后艙室結(jié)構(gòu)的響應和破壞。

1.2 材料特性

爆炸沖擊載荷作用下，結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)生快速變形，與受靜載荷作用的情況相比，動態(tài)屈服應力比靜態(tài)屈服應力有明顯提高，材料力學性能表現(xiàn)更為復雜。因此，船用鋼板選用與應變率相關(guān)的各向同性塑性隨動硬化模型［4］，程序中用關(guān)鍵字* MAT_PLASTIC_KINEMATIC 定義，材料密度為7 800 kg/m3，泊松比0.33，彈性模量2.07 × 1011Pa，屈服強度約400 MPa，塑性失效應變［5］εmax=0.28?？紤]到在沖擊作用下薄壁材料和結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)斷裂、絕熱剪切等破壞，在計算模型中增加最大剪應變失效準則，剪切失效應變［1］τmax=0.12。利用單元刪除技術(shù)模擬艙室的破壞，即當單元變形引起的塑性變形或剪切應變超過臨界值時，認為該單元破壞。

炸藥由材料模型和狀態(tài)方程共同描述，程序中用關(guān)鍵字* MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 來定義材料模型。爆轟壓力P、單位體積內(nèi)能E和相對體積V的關(guān)系采用Jones-Wilkins-Lee (JWL)狀態(tài)方程加以描述:

式中:ω為材料常數(shù);A，B，R1，R2為材料常數(shù)。計算中TNT 炸藥的材料參數(shù)為:A = 374 GPa，B =3.23 GPa，R1= 4.15，R2= 0.95，ω = 0.3，E =4 800 J/g。

空氣采用NULL 材料模型以及符合伽馬定律的線性多項式狀態(tài)方程描述，函數(shù)為:

計算中空氣狀態(tài)方程的參數(shù)分別為:初始密度ρ0= 1.29 kg/m3，絕熱指數(shù)γ = 1.4，比內(nèi)能e =2.0 MJ/kg。

1.3 艙室結(jié)構(gòu)及有限元模型

現(xiàn)代大型艦船船體橫向以甲板和平臺分為若干層空間，縱向以隔壁分為若干水密艙段，為提高艦船生命力，在關(guān)鍵部位還有裝甲和隔艙等各種防護措施。艦體內(nèi)部艙室通常按層序布置，像彈藥艙、燃油艙、動力艙等一類重要艙室通常分布于船身中部水線以下位置，且具備多層復雜防御結(jié)構(gòu)，被直接命中和破壞的概率很小。相比較而言，人員居住、生活服務類艙室分布較廣，被擊中的概率較大，因此，本文主要以此類艙室作為研究目標，根據(jù)文獻［6］中數(shù)據(jù)，此類艙室多數(shù)面積在10 m2左右，由一般甲板間高度在2.4～2.8 m 范圍內(nèi)可知，艙室空間大小約為27 m3。

數(shù)值模擬中，在同一平面上建立9個艙室，單個艙室尺寸為3 m ×3 m ×3 m，艙室四周壁厚取6 mm，上、下艙板厚度取20 mm［6］。假設導彈從側(cè)舷/頂部穿入中心艙室，艙壁上留下一個約Φ 500 mm的破口，起爆位置在中心處，模型具體結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

建模過程中，建立包括炸藥、空氣和艙室鋼板3 種物質(zhì)。艙室鋼板使用SHELL163 單元模擬，炸藥與空氣采用顯式實體單元SOLID164 模擬，炸藥藥量根據(jù)一般反艦戰(zhàn)斗部的裝藥量設計為50 kg和100 kg 兩種情況，利用對稱性取1/4模型進行構(gòu)建(見圖1和圖2)，為有效觀察分析艙室結(jié)構(gòu)的變形和破壞，建立的空氣域應略大于艙室尺寸。

建模及計算中采用的單位制為cm，g，us。

圖1 側(cè)舷攻擊下的多艙室建模示意Fig.1 Cabins modeling schematic under broadside attack

圖2 頂部攻擊下的多艙室建模示意Fig.2 Cabins modeling schematic under top attack

2 計算結(jié)果及分析

2.1 艙室結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應

圖3 展示了側(cè)舷攻擊下50 kg TNT 炸藥起爆后整個艙室結(jié)構(gòu)隨時間的變形破壞過程。

由圖可知，四周艙壁破壞模式大致呈現(xiàn)為中心處的外鼓和沿角隅部位的撕裂，如圖3(a)和圖3(b)所示;在導彈穿入方向，由于有初始破口，結(jié)構(gòu)整體強度被削弱，爆炸沖擊對該處的拉伸、撕裂作用更顯著，毀壞效果也更嚴重，如圖3(c)所示;艙室破壞的整體示意如圖3(d)所示，可以看出，上、下艙板變形遠小于內(nèi)部四周壁面，只有局部的變形和輕微的外鼓，這是因為上、下艙板厚度遠高于四周壁面，增加了對爆炸能量的上、下約束，能量優(yōu)先向推進阻力較弱的區(qū)域傳播。若不考慮由于艙內(nèi)設備毀壞而造成的連鎖破壞反應，可近似認為爆炸毀傷區(qū)域集中在該平面層。

圖3 艙室結(jié)構(gòu)變形破壞過程(等效應力云圖)Fig.3 Cabins structural deformation and failure processes(Von-Mises stress contours)

2.2 內(nèi)爆載荷特點分析

為了分析內(nèi)爆作用下，艙壁結(jié)構(gòu)所承受的沖擊載荷的特點，在中心艙室內(nèi)設計3個特征點，分別位于單個壁面附近、兩壁面交匯處和三壁面交匯處，空間位置見圖4，提取這3個位置處空氣單元的壓力時程曲線，分別對應圖5 中的A，B，C 三條曲線。

可以看出，三壁面交匯處的超壓值最高，兩壁面交匯處次之，單個壁面附近存在一個明顯高于首次沖擊波壓力的峰值超壓(A 曲線中，壁面反射壓力為入射壓力的2.34 倍)。這是因為在沖擊波傳播過程中，當波陣面碰觸到艙壁結(jié)構(gòu)后，在結(jié)構(gòu)表面形成反射，部分向爆心匯聚，部分沿結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鞑?當?shù)竭_兩壁面角隅形時形成匯聚沖擊波，增加該局部區(qū)域的壓力值;而在三面交匯處，在三向約束的狹小區(qū)域內(nèi)，各個方向的沖擊波和各個面的反射波都匯聚到一起，形成一個遠大于其他區(qū)域的超壓(圖中C 曲線，最大壓力為143.07 MPa)，該值是自由場下沖擊波強度的98 倍(同等藥量下，無限空氣域中相同位置的峰值超壓約為1.456 MPa)。

圖4 特征點單元空間位置Fig.4 The spatial location of the feature points

圖5 特征空氣單元壓力時程曲線Fig.5 Pressure-time curve of the air units

3 不同打擊工況下的破壞效果對比

圖6和圖7 分別為在側(cè)舷和頂部打擊下，100 kg TNT爆炸后，相同特征時刻多個艙室的變形和破壞情況。

對比圖3 中的艙室破壞過程可以發(fā)現(xiàn)，與50 kg TNT 爆炸載荷下艙壁結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)出來的連接處剪切失效不同，在100 kg TNT 爆炸載荷下，艙壁結(jié)構(gòu)首先在中心位置處發(fā)生破壞。這是由于沖擊波首先到達該處，在強脈沖載荷作用下，結(jié)構(gòu)局部發(fā)生大的塑性變形而發(fā)生材料失效，產(chǎn)生十字破口，內(nèi)部高溫高壓氣體卸載，并通過破口傳播到外層艙室，繼續(xù)破壞更外層的艙壁，艙壁呈現(xiàn)為“花瓣型”破壞，如圖6(b)與圖7(b)所示。

頂部攻擊情況下，多艙室內(nèi)部破壞區(qū)域呈對稱分布，如圖6(c)所示，由于上艙板在厚度上遠高于四周艙壁，頂部艙板破口對內(nèi)部毀傷效果的影響并不明顯，多艙室內(nèi)部宏觀呈現(xiàn)為“十”字型的破壞效果。

側(cè)舷攻擊情況下，在導彈穿入方向，艙室的破壞較其他方向略嚴重，如圖7(c)所示，但相比于圖3(c)中的情況，由艙壁初始破口而造成的破壞差異已明顯減小，可以預見，隨著裝藥量的進一步增加(100～150 kg)，這種差異還將繼續(xù)減小，可近似忽略。

基于上述分析，在對遭受較大裝藥量打擊的艦船進行內(nèi)部結(jié)構(gòu)毀傷評估時，對于同樣內(nèi)部中心處起爆的情況，可不考慮艙壁上導彈破口的影響，這樣，在構(gòu)建的艙室模型時可利用對稱性取1/8 建模，較文中考慮破口而采用的1/4 建模方法，計算規(guī)模更小，更省時間，還能大大方便建模過程，或者進行更大/更多艙室空間的構(gòu)建，獲取更為宏觀的毀傷評估結(jié)果。

圖6 頂部攻擊下的多艙室變形破壞過程Fig.6 Deformation and failure process under top attack

圖7 側(cè)舷攻擊下的多艙室變形破壞過程Fig.7 Deformation and failure process under broadside attack

2 種攻擊情況下，頂角處的4個艙室均保存較為完整，這是因為在內(nèi)部中心艙室破壞后，爆炸能量的傳播方向與這些艙壁表面法相垂直，兩者間相互作用的程度有限，最終形成了“十”字形的內(nèi)部破壞特征。

4 結(jié) 語

通過數(shù)值模擬典型艦船艙室在內(nèi)部爆炸載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應，分析其破壞過程，得出以下結(jié)論:

1)炸藥在艙室內(nèi)爆炸后，產(chǎn)生的沖擊波會在結(jié)構(gòu)表面發(fā)生反射從而成倍增加局部區(qū)域的超壓值;同時在艙室角隅部位，特別是三面匯聚處，還有強度遠高于自由場的匯聚沖擊波，艙室結(jié)構(gòu)將承受這些沖擊波的多次反復作用;

2)較小藥量下(50 kg TNT)艙壁結(jié)構(gòu)的失效主要表現(xiàn)為沿角隅部位的撕裂和中心位置的外鼓，而在較大藥量下(100 kg TNT)，首先表現(xiàn)出來的是艙壁中心處的塑性大變形失效，之后才伴隨沿角隅部位的撕裂，艙壁呈現(xiàn)為“花瓣型”破壞;

3)由于艙室布局和結(jié)構(gòu)破壞的影響，爆炸能量主要沿“十”字形傳播，多艙室的破壞模式也呈現(xiàn)“十”字形破壞，這與自由空間中的球型破壞區(qū)域有明顯區(qū)別;

4)導彈破口對最終破壞效果的影響隨著裝藥量的增加而逐漸降低。對于內(nèi)部中心處大裝藥量爆炸的情況，在多艙室建模時，可近似忽略導彈破口的影響，從而方便計算過程或者進行更大空間/范圍的仿真分析。

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