高 鑫（91439部隊(duì)大連116041）

水下爆炸載荷作用下水面目標(biāo)局部毀傷計(jì)算研究?

高 鑫
（91439部隊(duì)大連116041）

采用理論分析以及數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)水下爆炸作用下水面目標(biāo)的局部毀傷效應(yīng)進(jìn)行研究。首先對(duì)水面目標(biāo)局部毀傷種類進(jìn)行說明，然后建立了撓曲變形理論計(jì)算模型；選取典型目標(biāo)，采用計(jì)算模型對(duì)其毀傷效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果同模型試驗(yàn)測試進(jìn)行了比對(duì)分析。比對(duì)結(jié)果表明模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果在局部毀傷效應(yīng)方面結(jié)果一致，驗(yàn)證了模型的正確性以及計(jì)算方法的可行性。

水下爆炸；水面目標(biāo)；毀傷；破口；試驗(yàn)

Class Num ber U664.2

1 前言

水中目標(biāo)受到魚雷、深水炸彈攻擊后可能產(chǎn)生各種各樣的損傷形式，目標(biāo)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生何種毀傷形式與兵器毀傷載荷形式密切相關(guān)，不同的載荷形式對(duì)應(yīng)不同的毀傷形式。水面毀傷目標(biāo)局部毀傷形式又可分為：近場或接觸爆炸作用下水面毀傷目標(biāo)結(jié)構(gòu)局部破口毀傷；非接觸爆炸作用下水面毀傷目標(biāo)結(jié)構(gòu)局部塑性變形毀傷。水下爆炸在目標(biāo)附近或接觸目標(biāo)發(fā)生時(shí)，水面毀傷目標(biāo)結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生局部區(qū)域的破口，從而造成目標(biāo)結(jié)構(gòu)的局部破口毀傷，其后果主要是造成目標(biāo)進(jìn)水和浮力損失以及目標(biāo)結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度的損失。在水下非接觸爆炸沖擊波作用下，水面毀傷目標(biāo)局部結(jié)構(gòu)大多產(chǎn)生塑性動(dòng)力響應(yīng)，從而造成水面毀傷目標(biāo)結(jié)構(gòu)的局部塑性變形或塑性動(dòng)力失穩(wěn)毀傷。局部結(jié)構(gòu)塑性變形毀傷的后果主要有：引起內(nèi)部安裝的設(shè)備的破壞，以及水面毀傷目標(biāo)結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度損失。文獻(xiàn)［1~9］等對(duì)水下爆炸載荷作用下目標(biāo)毀傷效應(yīng)進(jìn)行了研究。本文采用理論分析以及數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)水下爆炸作用下水面目標(biāo)的局部毀傷效應(yīng)進(jìn)行研究，重點(diǎn)對(duì)非接觸爆炸作用下水面目標(biāo)結(jié)構(gòu)塑性變形進(jìn)行分析，并與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證計(jì)算模型的正確性。

2 水面毀傷目標(biāo)結(jié)構(gòu)抗毀傷能力理論計(jì)算

水面毀傷目標(biāo)結(jié)構(gòu)破壞主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)（板、板架）的撓曲變形或者嚴(yán)重破口，此種情況毀傷會(huì)削弱目標(biāo)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

建立結(jié)構(gòu)撓曲變形理論計(jì)算模型：假設(shè)加筋板結(jié)構(gòu)為四周固支，在爆炸載荷作用下加筋板結(jié)構(gòu)發(fā)生大撓度變形，考慮結(jié)構(gòu)邊界產(chǎn)生塑性鉸線，最終變形的撓曲面近似為正弦曲面［10］。其撓曲面函數(shù)可取為

坐標(biāo)系xoy位于結(jié)構(gòu)的初始平面，原點(diǎn)設(shè)在結(jié)構(gòu)左下角，如圖1所示，板架長為L，板架寬為B，沿x、y方向加強(qiáng)筋的數(shù)量分別為n、m。這種變形模式主要求解加筋板中心撓度W0，求解方法可以根據(jù)能量守恒建立所需方程，即：爆炸載荷對(duì)結(jié)構(gòu)作用的能量等于加筋板結(jié)構(gòu)的塑性變形能，即U=K。結(jié)構(gòu)塑性變形能U主要由三部分組成：邊界塑性鉸彎曲變形能U1，板架區(qū)域內(nèi)的彎曲變形能U2，板架區(qū)域伸長變形能U3。

1）板架邊界塑性鉸彎曲變形能U1

邊界塑性鉸彎曲變形能取決于邊界塑性鉸的相對(duì)轉(zhuǎn)角θ和骨架梁的極限彎矩Mb0。

其中：γx、γy分別為x方向和y方向邊界的固定程度系數(shù)，邊界為剛性固定時(shí)取為1；邊界完全自由支持時(shí)，板架在邊界處不產(chǎn)生塑性鉸，因而取為0；M0i、M0j分別為沿x、y方向第i、j根骨架梁的塑性極限彎矩。

2）板架彎曲變形能U2

其中：N0i為x方向第i根骨架梁的極限中面力；N0j為y方向第j根骨架梁的極限中面力。

4）極限彎矩和極限中面力計(jì)算

根據(jù)梁的塑性彎曲理論，當(dāng)梁完全進(jìn)入塑性狀態(tài)后，中性軸應(yīng)使梁的上下兩部分的面積相等，由此可確定中性軸的位置。

其中：l1、l2分別為中性軸上下兩部分面積中心離中性軸的距離；A為梁的橫截面面積；σd為材料屈服應(yīng)力。

5）結(jié)構(gòu)初始動(dòng)能計(jì)算

由于沖擊波峰值比較高，相對(duì)于結(jié)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間，沖擊波持續(xù)時(shí)間非常短，近似可以認(rèn)為炸藥的沖擊波能全部被結(jié)構(gòu)吸收。假設(shè)沖擊波為平面波，根據(jù)沖擊波的能流密度表達(dá)式，可得到結(jié)構(gòu)吸收的沖擊波能，即沖擊波作用后結(jié)構(gòu)的初始動(dòng)能：

其中：ks為結(jié)構(gòu)吸收沖擊波能量的系數(shù)。

將沖擊波的能流密度表達(dá)式代入可以得結(jié)構(gòu)吸收的沖擊波能：

其中：KE，αE為相似率系數(shù)。

6）能量原理

根據(jù)能量原理得U1+U2+U3=Ek。將以上表達(dá)式和參數(shù)代入可以得到關(guān)于加筋板結(jié)構(gòu)中心撓度的方程式，進(jìn)行求解可以得到中心撓度w0，進(jìn)而可以得到整個(gè)加筋板結(jié)構(gòu)的變形場。

3 撓曲變形計(jì)算實(shí)例

以某板架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槔ㄟ^對(duì)其撓曲變形進(jìn)行計(jì)算，闡明目標(biāo)局部塑性變形抗毀傷能力的計(jì)算過程。計(jì)算中為了不失一般性，所采用的水下爆炸載荷是試驗(yàn)實(shí)際載荷，而不是結(jié)構(gòu)抗毀傷設(shè)計(jì)載荷。

3.1 計(jì)算模型描述

如圖2所示，板架總體尺寸為1000×1000×1.5（單位：mm），每個(gè)方向均布5根加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋采用T型材，面板尺寸為3×60（單位：mm），腹板尺寸為1.5×100（單位：mm），模型材料均采用Q235鋼。

3.2 計(jì)算所需的輸入?yún)?shù)

表1列出了水面艦艇局部變形抗毀傷能力評(píng)估方法的相關(guān)輸入計(jì)算參數(shù)。

表1 計(jì)算輸入?yún)?shù)

4 計(jì)算結(jié)果分析

應(yīng)用模型試驗(yàn)的結(jié)果，將理論計(jì)算結(jié)果同模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，對(duì)毀傷等級(jí)進(jìn)行判斷，同時(shí)對(duì)理論算法的精確度進(jìn)行分析。

4.1 模型試驗(yàn)

炸藥在模型底部非接觸爆炸，炸藥TNT當(dāng)量為110g，距試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭行木嚯x為0.7m，模型爆炸后變形情況如圖3。

爆炸載荷作用后試驗(yàn)測試得到板架中心撓度為10.95mm，為理論計(jì)算結(jié)果分析提供參考數(shù)值。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

應(yīng)用艦艇局部變形抗毀傷能力評(píng)估方法預(yù)報(bào)該板架在藥量為110g、爆距0.7m的爆炸載荷作用下的板架中心的殘余撓度為11.8mm，爆炸試驗(yàn)測試得到板架中心撓度為10.95mm，計(jì)算誤差為7.7%，在合理范圍內(nèi)。

由比對(duì)結(jié)果可知，理論計(jì)算值偏大，試驗(yàn)測量值偏小，這是由于試驗(yàn)采用小藥量、遠(yuǎn)距離進(jìn)行的原因。當(dāng)小當(dāng)量遠(yuǎn)距離爆炸時(shí)，炸藥在水中傳播存在一定的耗散，同時(shí)板架與水介質(zhì)的相互作用也可能帶來一定的能量損失，導(dǎo)致作用在板架上的能量有一定損失，導(dǎo)致實(shí)際測量結(jié)果比理論計(jì)算結(jié)果偏小?？蓪?duì)理論值進(jìn)行一定的修正，預(yù)報(bào)出試驗(yàn)測量值的大致范圍。

4.3 毀傷等級(jí)判定

非接觸爆炸載荷作用下板架的塑性變形通常采用相對(duì)撓曲變形抗力Wˉ來表示，從計(jì)算過程可知，藥量為110g、爆距0.7m的爆炸載荷作用下的板架中心的殘余撓度為11.8mm，相對(duì)撓曲變形抗力為2.12，其等級(jí)為中等毀傷。該爆炸條件下殼板沖擊因子為0.47，其毀傷等級(jí)也為中等毀傷等級(jí)。爆炸測量得到的相對(duì)撓曲變形抗力為2.28，也屬中等毀傷范疇。

5 結(jié)語

1）根據(jù)水面結(jié)構(gòu)局部毀傷類型，采用理論分析方法建立了水面目標(biāo)撓曲變形理論計(jì)算模型。

2）選取典型水面目標(biāo)結(jié)構(gòu)，采用計(jì)算模型，對(duì)其在水下爆炸作用下的撓曲變形進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

3）將數(shù)值計(jì)算結(jié)果同相關(guān)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，兩者符合較好。

4）板架結(jié)構(gòu)均勻分布，取消了縱、橫骨架結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)計(jì)算應(yīng)用帶來一定局限性。

5）理論計(jì)算模型與試驗(yàn)測量結(jié)果存在一定誤差，需對(duì)理論預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行修正。

［1］張振華.艦艇結(jié)構(gòu)在水下爆炸作用下?lián)p傷響應(yīng)的相似預(yù)報(bào)方法研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2009：5-7.

［2］劉建湖.艦船非接觸水下爆炸動(dòng)力學(xué)的理論與應(yīng)用［D］.無錫：中國船舶科學(xué)研究中心，2002：20-30.

［3］張振華，牟金磊.大型水面艦艇在重型魚雷水下近距爆炸作用下的毀傷效應(yīng)［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，25

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［4］牟金磊，朱錫.水下爆炸載荷作用下艦船結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究綜述［J］.中國艦船研究，2011，6（2）：1-7.

［5］李海濤.水下近距非接觸爆炸作用下艦船整體動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究［D］.武漢：海軍工程大學(xué)，2009：10-30.

［6］李海濤，王俊森.水下爆炸作用下箱型梁整體損傷的參數(shù)分析［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，41（4）：123-127.

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［9］張弩，宗智.水下爆炸氣泡載荷對(duì)艦船的總體毀傷研究［J］.中國造船，2012，53（3）：28-39.

［10］朱錫，張振胡，梅志遠(yuǎn)等.艦船結(jié)構(gòu)毀傷力學(xué)［M］.北京：

國防工業(yè)出版社，2013：15-30.

Ship Local Structure Dam age Simu lation Subjected Underw ater Explosion

GAO Xin
（No.91439 Troopsof PLA，Dalian 116041）

Ship local structure damage effect subjected underwater explosion has been studied by using theory analysis and numerical simulationmethod.Firstly，form of local structure damage hasbeen introduced；secondly，the numericalmodel of defor?mation and crevasse has been established.The structure damage effect of classical ship hasbeen gained according thosemodels and the resultshavebeen comparedwith experimentdata.These show that those twomethodshavebeen achieved the same results in pro?tecting ship local structure damage effect.Those resultshave validated correctnessof theorymodeland feasibility ofnumerical simu?lation.

underwaterexplosion，underwater target，damage，crevasse，experiment

U664.2

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.025

2016年11月8日，

2016年12月28日

高鑫，男，碩士研究生，助理工程師，研究方向：水下爆炸。