李德聰，段宏，吳國(guó)民，周心桃，楊雄輝

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

0 引 言

隨著反艦武器的迅速發(fā)展，各種高性能反艦導(dǎo)彈已成為水面艦船面臨的最主要水上威脅武器［1］。目前，反艦導(dǎo)彈大都采用半穿甲型戰(zhàn)斗部，依靠彈體動(dòng)能其可穿透艦船舷側(cè)外板，再通過(guò)延時(shí)或智能引信使戰(zhàn)斗部在艦船內(nèi)部爆炸，這種直接作用于艦船結(jié)構(gòu)、設(shè)備及人員的爆炸，將對(duì)艦生命力和戰(zhàn)斗力產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅［2-4］。戰(zhàn)斗部在船內(nèi)爆炸后，將產(chǎn)生沖擊波、破片、爆炸產(chǎn)物等多種毀傷元［5］。與開(kāi)放空間不同，艦船內(nèi)部屬半封閉空間，結(jié)構(gòu)邊界的約束對(duì)戰(zhàn)斗部爆炸毀傷元的影響十分顯著，主要表現(xiàn)為沖擊波效應(yīng)顯著增加、準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用突出，且還存在多毀傷元的聯(lián)合作用。戰(zhàn)斗部船內(nèi)爆炸工況下，其能量的利用率大幅提高，對(duì)艦船的毀傷破壞作用也大幅增強(qiáng)，因此科學(xué)地認(rèn)識(shí)戰(zhàn)斗部船內(nèi)爆炸毀傷元特性及其作用規(guī)律是艦船抗爆防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要前提。但迄今為止，國(guó)內(nèi)對(duì)戰(zhàn)斗部船內(nèi)爆炸沖擊波、破片及爆炸產(chǎn)物的定量表征，以及對(duì)艦船結(jié)構(gòu)的破壞效應(yīng)、毀傷機(jī)理、力學(xué)模型與作用規(guī)律的研究還遠(yuǎn)不充分，大幅限制了水面艦船抗爆防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

本文將基于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究成果，詳細(xì)分析戰(zhàn)斗部船內(nèi)爆炸載荷的構(gòu)成及對(duì)水面艦船結(jié)構(gòu)的毀傷特征，然后分別針對(duì)船內(nèi)爆炸對(duì)結(jié)構(gòu)的主要?dú)^(guò)程，總結(jié)艦船船內(nèi)爆炸試驗(yàn)、理論分析及數(shù)值仿真方面的研究進(jìn)展，提出尚需解決的關(guān)鍵問(wèn)題，為深入研究導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部船內(nèi)爆炸載荷特性及規(guī)律、揭示艦船結(jié)構(gòu)在船內(nèi)爆炸載荷下的毀傷機(jī)理，進(jìn)而為艦船抗內(nèi)爆防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供借鑒與參考。

1 導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部船內(nèi)爆炸毀傷元及爆炸載荷特點(diǎn)分析

導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部主要由金屬殼體、主裝藥、引信和傳爆序列組成。戰(zhàn)斗部引信在船內(nèi)某點(diǎn)被觸發(fā)后，傳爆序列引爆高能主裝藥，瞬間形成高溫、高壓的爆轟產(chǎn)物；在高壓爆轟產(chǎn)物作用下，金屬殼體開(kāi)始塑性膨脹并發(fā)生破裂，破碎的彈片受爆轟產(chǎn)物的推動(dòng)向四周飛散形成破片群。同時(shí)，爆轟產(chǎn)物壓縮周?chē)諝饨橘|(zhì)，形成沖擊波［6］?？梢钥闯觯簯?zhàn)斗部船內(nèi)爆炸時(shí)，作用于艦船結(jié)構(gòu)的毀傷元主要包括爆炸產(chǎn)物、沖擊波和破片群等。

艦船內(nèi)部屬半密閉空間，爆炸載荷受約束環(huán)境的影響十分顯著，與開(kāi)放空間相比區(qū)別很大［7］，其作用效果更具破壞性，主要表現(xiàn)在以下方面：

1）沖擊波作用顯著增加。結(jié)構(gòu)壁面承受復(fù)雜的多次反射沖擊波作用后，容易產(chǎn)生裂紋及破口，此外，角隅處的沖擊波會(huì)產(chǎn)生匯聚效應(yīng)，其幅值遠(yuǎn)大于壁面反射沖擊波，使得連接部位易發(fā)生撕裂破壞［8］。

2）密集破片群作用范圍廣。戰(zhàn)斗部爆炸后，殼體可以產(chǎn)生幾千至上萬(wàn)枚、幾克至上百克質(zhì)量不等的密集破片群［9］，初始速度可達(dá)到2 000 m/s左右，可使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生集團(tuán)穿甲破口及整體塑性破壞［10］。由于破片在空氣中速度衰減較慢，故其對(duì)結(jié)構(gòu)的毀傷范圍很廣。

3）準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用突出［7］。在內(nèi)爆情況下，由于艦船艙室結(jié)構(gòu)邊界約束的存在，限制了爆炸能量的彌散，沖擊波在結(jié)構(gòu)內(nèi)多次反射時(shí)隨著時(shí)間的推移，壓力幅值與波動(dòng)減弱，并且隨著爆炸產(chǎn)物氣體與空氣的不斷混合逐漸趨于均勻，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)幅值相對(duì)不高但作用時(shí)間很長(zhǎng)的壓力場(chǎng)，一般稱(chēng)之為準(zhǔn)靜態(tài)壓力，其產(chǎn)生的沖量大，可使結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性大變形、連接部位及開(kāi)口部位的撕裂，乃至結(jié)構(gòu)發(fā)生整體破壞［11］。

4）存在爆炸壓力與破片群的聯(lián)合作用。船內(nèi)爆炸情況下，還存在沖擊波、破片群及準(zhǔn)靜態(tài)壓力對(duì)結(jié)構(gòu)的聯(lián)合毀傷作用。與單個(gè)毀傷元作用相比，在多毀傷元聯(lián)合作用下結(jié)構(gòu)的破壞模式更加復(fù)雜，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的毀傷程度也更加嚴(yán)重。

戰(zhàn)斗部船內(nèi)爆炸毀傷元及其對(duì)艦船結(jié)構(gòu)的主要?dú)匦钥偨Y(jié)如圖1所示。

2 沖擊波對(duì)艦船結(jié)構(gòu)的毀傷研究

加筋板是艦船結(jié)構(gòu)的基本單元，故研究爆炸沖擊波載荷對(duì)加筋板結(jié)構(gòu)的毀傷機(jī)理和規(guī)律十分重要。Nurick等［12］通過(guò)試驗(yàn)，初步研究了具有1根加強(qiáng)筋的固支方板在爆炸載荷下的破壞模式，結(jié)果表明：當(dāng)加強(qiáng)筋較弱時(shí)，撕裂破壞發(fā)生在固支邊界；當(dāng)加強(qiáng)筋較強(qiáng)時(shí)，沿加強(qiáng)筋發(fā)生撕裂。劉土光等［13］和黃震球［14］采用塑性動(dòng)力學(xué)方法研究得到了十字加筋固支方板在爆炸載荷下板的最大殘余變形計(jì)算公式，并分析了加筋強(qiáng)弱對(duì)板架變形的影響。吳有生等［15］基于能量法，考慮了大變形及中面膜應(yīng)力的影響，得到非接觸爆炸下單向加筋板的塑性變形公式，并基于能量準(zhǔn)則建立了單向加筋板架破裂所需極限藥量的理論計(jì)算公式。

基于塑性動(dòng)力學(xué)或能量原理等理論方法得到的理論計(jì)算公式，可用于簡(jiǎn)單板架結(jié)構(gòu)變形的快速近似預(yù)報(bào)。但其局限性主要在于：一是須對(duì)板架的變形模態(tài)做出正確的假設(shè)，特別是當(dāng)加強(qiáng)筋形式復(fù)雜、剛度不能近似簡(jiǎn)化為足夠小/足夠大的情況下，當(dāng)難以對(duì)板架的變形模態(tài)做出正確的假設(shè)時(shí)，理論方法的適用性變差；二是僅能預(yù)報(bào)到板架破裂的臨界狀態(tài)，難以對(duì)后續(xù)的破損尺度進(jìn)行預(yù)報(bào)。因此，數(shù)值計(jì)算以及數(shù)值計(jì)算結(jié)合模型試驗(yàn)的方法成為研究沖擊波對(duì)加筋板結(jié)構(gòu)毀傷的重要技術(shù)途徑。

Houston等［16］在早期采用ADINA程序初步研究了加筋板架在爆炸載荷作用下的變形規(guī)律。LANGDON等［17］針對(duì)單筋、雙筋、十字加筋等不同形式的固支加筋方板，通過(guò)系列模型實(shí)驗(yàn)并結(jié)合數(shù)值方法研究加筋板結(jié)構(gòu)在爆炸載荷下的動(dòng)響應(yīng)及失效模式，初步分析了加筋形式、加筋尺寸對(duì)板架結(jié)構(gòu)變形及破壞的影響規(guī)律。梅志遠(yuǎn)等［18］針對(duì)由T型材、球扁鋼及面板組成的加筋板，采用MSC.Dytran程序并結(jié)合模型實(shí)驗(yàn)研究了船用加筋板架結(jié)構(gòu)在爆炸載荷作用下的變形規(guī)律，重點(diǎn)分析了加強(qiáng)筋迎爆和背爆兩種載荷工況下板架動(dòng)態(tài)響應(yīng)的差異，研究認(rèn)為在加強(qiáng)筋背爆面設(shè)置抗爆能力更強(qiáng)。朱錫等［19］采用質(zhì)量相效原則等效，將加筋鋼板簡(jiǎn)化為均勻鋼板，基于能量方法建立撓度變形的計(jì)算公式，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得材料極限動(dòng)態(tài)應(yīng)變估算值，然后以最大環(huán)向應(yīng)變等于極限動(dòng)應(yīng)變作為板架徑向撕裂的判據(jù)，得到破口半徑的計(jì)算公式。吳林杰等［20］采用MSC.Dytran程序研究了柱狀炸藥裝藥在固支矩形加筋板中心正上方爆炸時(shí)加筋板的毀傷模式以及不同毀傷模式之間轉(zhuǎn)化的臨界爆距計(jì)算公式。

可以看出，針對(duì)簡(jiǎn)單加筋板在空爆沖擊載荷作用下的變形、破壞模式及規(guī)律等國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了較深入的研究工作。但實(shí)際艦船結(jié)構(gòu)屬薄壁半封閉空間結(jié)構(gòu)，與簡(jiǎn)單約束的加筋板相比差別很大，船內(nèi)的爆炸沖擊載荷遠(yuǎn)復(fù)雜于敞開(kāi)環(huán)境中。內(nèi)爆載荷與結(jié)構(gòu)毀傷間存在一定的耦合關(guān)系，近年來(lái)引起了研究者的廣泛關(guān)注，目前的研究大致有兩種處理方法：一是進(jìn)行簡(jiǎn)化解耦處理，通過(guò)簡(jiǎn)化方法獲得艙內(nèi)不同位置點(diǎn)的沖擊波載荷曲線，然后將該動(dòng)載荷作用于艦船板架，獲得結(jié)構(gòu)的變形及破壞規(guī)律；二是將爆炸流場(chǎng)與艙室結(jié)構(gòu)耦合在一起考慮，通過(guò)流固耦合方法計(jì)算結(jié)構(gòu)的變形及破壞規(guī)律。

針對(duì)第1種處理方法，Chan等［21］在沖擊波自由場(chǎng)載荷計(jì)算公式的基礎(chǔ)上提出了鏡像法（Method of Image，MOI），該方法將初始沖擊波和各封閉空間壁面反射沖擊波按到達(dá)時(shí)間先后進(jìn)行計(jì)算疊加，從而得到不同空間位置點(diǎn)的沖擊波壓力曲線。該方法未考慮艙壁加強(qiáng)筋以及開(kāi)孔等因素對(duì)沖擊波載荷的影響，但可以較直觀地估算不同空間位置點(diǎn)沖擊波的數(shù)量級(jí)，可以通過(guò)比較其相對(duì)強(qiáng)弱來(lái)定性分析結(jié)構(gòu)的初始破壞位置及破壞模式。侯海量等［8］通過(guò)模型試驗(yàn)研究了內(nèi)爆下沖擊波載荷的傳播及作用規(guī)律，結(jié)果表明，當(dāng)沖擊波在艙室角隅處會(huì)產(chǎn)生匯聚現(xiàn)象時(shí)，艙室板架結(jié)構(gòu)承受的載荷除壁面反射沖擊波外還有匯聚沖擊波，得到的艙內(nèi)爆炸沖擊波的傳播規(guī)律及載荷幅值的數(shù)量級(jí)與孔祥韶［11］采用MOI方法得到的結(jié)果大致相當(dāng)。

針對(duì)第 2種處理方法，Du等［22］采用 MSC.Dytran程序的一般耦合法計(jì)算了多層結(jié)構(gòu)在內(nèi)爆后沖擊波的傳播及對(duì)結(jié)構(gòu)的變形和破壞情況。侯海量等［23］采用MSC.Dytran程序研究總結(jié)了內(nèi)爆下艙室板架結(jié)構(gòu)的4種破壞模式，其中艙室板架結(jié)構(gòu)沿角隅部位發(fā)生撕裂是最常見(jiàn)的一種破壞模式。孔祥韶等［24］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究3種角隅結(jié)構(gòu)形式（包括平板連接、內(nèi)凹板結(jié)構(gòu)和內(nèi)凸板連接）對(duì)沖擊波角隅匯聚現(xiàn)象的影響，結(jié)果表明內(nèi)凹板連接結(jié)構(gòu)對(duì)減弱沖擊波匯聚有一定的效果。

綜上所述，經(jīng)過(guò)研究，近年來(lái)已對(duì)船內(nèi)爆炸沖擊波的特性有了一定的認(rèn)識(shí)，初步掌握了沖擊波載荷作用下艙室結(jié)構(gòu)的主要破壞模式，為艦船抗爆結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了許多有益的參考。尚需解決的主要問(wèn)題如下：

1）艦船板架結(jié)構(gòu)均由板及加強(qiáng)筋焊接而成，焊縫處材料的強(qiáng)度、韌性等力學(xué)性能與母材存在一定的差別，且焊縫處更容易存在缺陷，焊縫的失效在板架結(jié)構(gòu)的破壞中起十分重要的作用［25］。因此，需要深入研究不同形式焊縫的失效準(zhǔn)則、隨機(jī)缺陷焊縫對(duì)艦船結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響等。

2）數(shù)值計(jì)算方法是研究艦船結(jié)構(gòu)在內(nèi)爆載荷作用下破壞的主要技術(shù)手段，由于艦船的基本結(jié)構(gòu)形式為加筋板，主要由球扁鋼、T型材和面板組成，與空氣區(qū)耦合的結(jié)構(gòu)面域數(shù)量非常多且形狀復(fù)雜，給流固耦合計(jì)算帶來(lái)了很大的困難。因此，研究基于艦船結(jié)構(gòu)界面的高效流固耦合方法或合理的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化方法具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3）縮比模型試驗(yàn)方法仍是研究的重要手段，需要重點(diǎn)解決兩方面的難題：一是縮比模型相似關(guān)系的問(wèn)題；二是因沖擊載荷與結(jié)構(gòu)響應(yīng)存在一定的耦合，安裝在結(jié)構(gòu)上的傳感器受結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響很大，需要解決沖擊動(dòng)響應(yīng)高精度測(cè)量問(wèn)題。

3 準(zhǔn)靜態(tài)壓力對(duì)艦船結(jié)構(gòu)的毀傷研究

導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)爆工況下，由于艙室結(jié)構(gòu)邊界約束的存在，限制了炸藥爆炸能量的彌散，準(zhǔn)靜態(tài)壓力成為一個(gè)重要的毀傷元。Trott等［26］研究發(fā)現(xiàn)，球形容器內(nèi)爆炸時(shí)引起結(jié)構(gòu)破裂的主要因素是準(zhǔn)靜態(tài)壓力而非反射沖擊波，密閉/半密閉空間內(nèi)爆炸準(zhǔn)靜態(tài)壓力的研究開(kāi)始逐漸得到重視。Weibull［27］研究認(rèn)為準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值與泄壓面積無(wú)關(guān)，而是裝藥量與容器容積之比（m/V）的函數(shù)。一系列研究［7，28-30］表明，載荷幅值與裝藥量及結(jié)構(gòu)容積相關(guān)，而作用時(shí)間與結(jié)構(gòu)的容積、卸壓面積及爆炸能量的釋放特性等因素相關(guān)，文獻(xiàn)中常見(jiàn)的計(jì)算公式如表1所示。表中：pqs為準(zhǔn)靜態(tài)壓力幅值，MPa；m為炸藥質(zhì)量，kg；V為結(jié)構(gòu)容積，m3；tmax為正壓作用時(shí)間，s；A為卸壓面積，m2;c0為聲速，m/s；p0為初始?jí)毫?MPa。

表1 準(zhǔn)靜態(tài)壓力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式Table 1 Empirical formulation of calculating the quasi-static pressure

分析表1中所列針對(duì)壓力峰值的計(jì)算公式，發(fā)現(xiàn)Carlson公式、Moir公式和TM5-1300公式的計(jì)算結(jié)果大致相近。文獻(xiàn)［31］針對(duì)TNT，RDX等多種炸藥采用列表的方式給出了準(zhǔn)靜態(tài)壓力與不同之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)時(shí)，與上述3個(gè)公式的計(jì)算結(jié)果相對(duì)接近，但勞氏規(guī)范公式的計(jì)算結(jié)果與上述公式相差較大。上述關(guān)于壓力幅值的計(jì)算公式大都是在密閉空間中得出的，均未考慮壓力隨時(shí)間的變化?？紫樯兀?1］初步分析了卸壓面積對(duì)壓力幅值的影響，得到了半密閉空間中準(zhǔn)靜壓力幅值隨時(shí)間變化的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。

侯海量等［23，32］采用模型實(shí)驗(yàn)并結(jié)合數(shù)值方法研究了內(nèi)爆載荷作用下艙室結(jié)構(gòu)的毀傷模式，分析認(rèn)為沖擊波與準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用是引起艙室結(jié)構(gòu)整體破壞的主要因素（圖2）。

徐雙喜［33］采用MSC.Dytran軟件研究了內(nèi)爆壓力載荷（包括沖擊波與準(zhǔn)靜態(tài)壓力）對(duì)多艙結(jié)構(gòu)的毀傷，認(rèn)為在艙壁上設(shè)泄爆孔可減輕對(duì)結(jié)構(gòu)的毀傷。姚術(shù)健等［34］在量綱分析的基礎(chǔ)上提出了一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)（Q為炸藥爆炸總能量；σ為材料屈服強(qiáng)度；L為特征長(zhǎng)度；H為特征板厚），其含義為炸藥輸出能量與結(jié)構(gòu)吸收能量的比值，并應(yīng)用到了多艙結(jié)構(gòu)破壞模式分析中，可為多艙結(jié)構(gòu)毀傷模式的快速預(yù)測(cè)提供參考。

綜上所述，目前針對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)壓力對(duì)艦船結(jié)構(gòu)毀傷的作用已有一定的認(rèn)識(shí)，主要通過(guò)數(shù)值計(jì)算的手段揭示了內(nèi)爆載荷作用下艙室結(jié)構(gòu)的主要破壞模式，尚需解決的主要問(wèn)題如下：

1）目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)壓力的計(jì)算主要采用經(jīng)驗(yàn)公式，一般只能估算準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值，且結(jié)果存在較大的差別；此外，由于艦船為薄壁結(jié)構(gòu)，在高壓氣流場(chǎng)作用下易破壞，結(jié)構(gòu)與氣流場(chǎng)間存在一定的耦合作用。爆點(diǎn)位置、結(jié)構(gòu)破壞等因素對(duì)靜態(tài)壓力的幅值變化和持續(xù)時(shí)間的影響尚未深入考慮，需要研究適用于艦船結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)壓力載荷模型以及相應(yīng)的計(jì)算方法。

2）從對(duì)結(jié)構(gòu)的作用時(shí)間量級(jí)來(lái)看，沖擊波與準(zhǔn)靜態(tài)壓力相差1～2數(shù)量級(jí)，給數(shù)值計(jì)算帶來(lái)了困難，沖擊波計(jì)算要求計(jì)算網(wǎng)格尺度小，時(shí)間步長(zhǎng)小，而準(zhǔn)靜態(tài)壓力則要求計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，因此需要針對(duì)不同的要求，研究高效的數(shù)值計(jì)算方法。

3）由于沖擊波超壓與準(zhǔn)靜態(tài)壓力對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的頻響要求差別很大，在試驗(yàn)測(cè)量中使用單一類(lèi)型的傳感器存在一定的弊端，故需研究高效、實(shí)用的艦船艙室內(nèi)爆壓力試驗(yàn)測(cè)試方法。

4 破片群對(duì)艦船結(jié)構(gòu)的毀傷研究

導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部爆炸后，殼體可產(chǎn)生大量不規(guī)則的破片，由于破片在空氣中的速度衰減相對(duì)較慢，對(duì)結(jié)構(gòu)的毀傷范圍很廣，是一類(lèi)重要的毀傷元，因此破片對(duì)艦船結(jié)構(gòu)的毀傷機(jī)理及防護(hù)方法一直都是艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

研究單個(gè)破片對(duì)均勻結(jié)構(gòu)的穿甲問(wèn)題是認(rèn)識(shí)破片群對(duì)結(jié)構(gòu)毀傷效應(yīng)的重要基礎(chǔ)，因此早期研究多集中于此。對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者而言，主要關(guān)心兩個(gè)參量：極限穿透速度和單位面密度吸能。對(duì)于極限穿透速度，常用的計(jì)算公式如表2所示。

表2 極限穿透速度計(jì)算公式Table 2 Formulation of calculating the ultimate penetration velocity

表2中，公式（1）～公式（4）均是基于量綱基礎(chǔ)建立的經(jīng)驗(yàn)公式，公式中的常數(shù)需針對(duì)不同的彈靶系統(tǒng)通過(guò)試驗(yàn)擬合得到。公式（5）是基于一定假設(shè)后得到的理論計(jì)算公式，公式中靶板的材料參數(shù)需要通過(guò)試驗(yàn)確定。

對(duì)于單位面密度吸能，Hetherington［39］研究發(fā)現(xiàn)，在破片穿甲過(guò)程中，在彈道極限附近存在吸能峰值，當(dāng)侵徹速度略高于彈道極限后靶板彈道吸能會(huì)下降。梅志遠(yuǎn)等［40］研究發(fā)現(xiàn)單位面密度吸能并非常數(shù)，不僅與材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能相關(guān)，還取決于彈速范圍。侯海量［32］針對(duì)圓柱形球頭破片，采用MSC.Dytran程序詳細(xì)研究了單位面密度吸能與隨彈速變化的規(guī)律，證實(shí)了當(dāng)侵徹速度高于彈道極限后靶板單位面密度吸能存在先下降后逐步上升的規(guī)律。

實(shí)際導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部在船內(nèi)爆炸將產(chǎn)生大量不規(guī)則的破片。表征破片群特征的主要有破片數(shù)目、質(zhì)量分布及初始速度等參數(shù)。由于彈體的破碎與彈體的結(jié)構(gòu)、裝藥的種類(lèi)、彈體的材料屬性等直接相關(guān)，初始裂紋的位置、形狀、數(shù)量、擴(kuò)展方向和速度與彈體材料的非均勻性/缺陷分布等隨機(jī)因素密切相關(guān)，因此對(duì)破片群特性量的表征主要采用半經(jīng)驗(yàn)公式，目前應(yīng)用最廣泛的是采用Mott公式計(jì)算破片的數(shù)目及質(zhì)量分布，利用Gurney方程來(lái)計(jì)算破片的初速［41］。美國(guó)海軍武器實(shí)驗(yàn)室同樣采用Mott公式，并利用模擬彈試驗(yàn)對(duì)公式中的參數(shù)進(jìn)行了擬合。近20年來(lái)，俄羅斯學(xué)者基于X射線測(cè)試的試驗(yàn)觀測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)研究了炸藥種類(lèi)、填充方式、殼體形狀、材料及厚度分布等因素對(duì)破片生成的影響，在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立了一系列經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，并在最新版的《爆炸物理學(xué)》［42］一書(shū)中進(jìn)行了總結(jié)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于動(dòng)態(tài)斷裂理論，發(fā)展了系列數(shù)值計(jì)算方法［43-45］，用于計(jì)算戰(zhàn)斗部爆炸后破片的質(zhì)量及速度分布規(guī)律。但對(duì)于實(shí)際目標(biāo)戰(zhàn)斗部而言，工程應(yīng)用中仍需在經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值模擬并結(jié)合模擬彈試驗(yàn)［46］對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式中的參數(shù)進(jìn)行修正。

與單個(gè)破片相比，破片群對(duì)結(jié)構(gòu)的毀傷存在較大的增強(qiáng)效應(yīng)。孔祥韶等［47］的研究表明，在密集破片作用下船體結(jié)構(gòu)不僅產(chǎn)生了局部穿孔破壞，還存在整體的破壞效應(yīng)，破片群的整體破壞效應(yīng)在防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不能忽略。Qian等［10，48］詳細(xì)研究了密集破片對(duì)固支圓形裝甲薄板的毀傷效應(yīng)，結(jié)果表明薄板的毀傷模式包括局部穿孔、集團(tuán)的沖塞破口并伴隨板的整體彎曲變形，同時(shí)指出破片穿靶過(guò)程中的沖量及能量沉積速率與持續(xù)時(shí)間是引發(fā)多破片耦合效應(yīng)的根本因素。李偉等［49］結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式及模擬彈試驗(yàn)，研究了高速破片群對(duì)艙壁結(jié)構(gòu)的毀傷特性，并對(duì)破片的毀傷能力進(jìn)行了等級(jí)劃分，可供艦船抗破片防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考。

綜上所述，目前對(duì)破片群對(duì)艦船結(jié)構(gòu)的毀傷破壞模式已有一定的認(rèn)識(shí)，但研究工作開(kāi)展得相對(duì)較晚，尚需解決的主要問(wèn)題如下：

1）目前針對(duì)典型目標(biāo)戰(zhàn)斗部爆炸后破片數(shù)目、質(zhì)量分布及初始速度的計(jì)算主要采用半經(jīng)驗(yàn)公式，但參數(shù)的取值依據(jù)不足，計(jì)算結(jié)果缺乏必要的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。因此，需要針對(duì)典型目標(biāo)戰(zhàn)斗部開(kāi)展目標(biāo)特性研究，通過(guò)不同尺度的縮比模擬彈試驗(yàn)對(duì)半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式進(jìn)行修正，獲得可供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用的典型目標(biāo)戰(zhàn)斗部破片群特征量計(jì)算方法。

2）目前破片群對(duì)目標(biāo)的毀傷研究主要集中在均勻靶板結(jié)構(gòu)，針對(duì)艦船空間艙室結(jié)構(gòu)毀傷模式及毀傷范圍的研究較少，對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)置與設(shè)計(jì)支撐不足；此外，尚需研究不同毀傷模式對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響規(guī)律及判別準(zhǔn)則。

3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一般對(duì)重要艙室設(shè)置不同形式的防護(hù)結(jié)構(gòu)，尚需深入研究破片群對(duì)不同形式防護(hù)結(jié)構(gòu)的毀傷機(jī)理及相應(yīng)的計(jì)算方法。

5 爆炸沖擊波與破片群聯(lián)合作用對(duì)艦船結(jié)構(gòu)的毀傷研究

在戰(zhàn)斗部船內(nèi)爆炸工況下，爆炸近區(qū)結(jié)構(gòu)將遭受爆炸沖擊波與破片群的聯(lián)合作用。研究表明，兩種載荷聯(lián)合作用對(duì)工程結(jié)構(gòu)的破壞具有疊加增強(qiáng)效應(yīng)［6，50，51］，破壞程度嚴(yán)重得多。Nystr?m等［52］的研究表明，沖擊波與破片群聯(lián)合載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞程度要大于單一載荷分別作用的破壞程度之和，結(jié)構(gòu)的整體毀傷效應(yīng)更加突出。李茂等［53］和 Wu等［54］分別研究了固支方板、薄壁圓柱殼在沖擊波以及破片在沖擊波和高速破片聯(lián)合作用下的毀傷特點(diǎn)及規(guī)律，結(jié)果表明，沖擊波作用主要引起了結(jié)構(gòu)的整體撓曲大變形，破片密集作用區(qū)易產(chǎn)生貫穿性破口。

為抵御爆炸沖擊波和高速破片群的聯(lián)合毀傷研究，近年來(lái)，研究者提出了多種艦船局部防護(hù)結(jié)構(gòu)形式并逐步開(kāi)展了系列研究。段新峰等［55］采用ANSYS/LS-DYNA軟件，研究了I型金屬夾層板結(jié)構(gòu)在沖擊波和高速破片聯(lián)合作用下的毀傷響應(yīng)，其中聯(lián)合載荷由TNT炸藥爆轟驅(qū)動(dòng)底部布置的預(yù)制破片來(lái)實(shí)現(xiàn)，研究提出了I型金屬夾層板的毀傷模式及吸能特性，并與沖擊波單獨(dú)作用的工況進(jìn)行了對(duì)比分析。張成亮等［56］開(kāi)展了鋼/玻璃鋼/鋼夾層結(jié)構(gòu)空中近爆模型試驗(yàn)，分析了結(jié)構(gòu)毀傷模式以及沖擊波與高速破片的破壞模式及聯(lián)合毀傷機(jī)制，結(jié)果表明前面板以反向大變形和中部穿甲大破口為主，后面板以大變形和大面積花瓣開(kāi)裂為主，玻璃鋼夾芯層則產(chǎn)生了大面積的穿甲破口和分層破壞。侯海量等［57］采用TNT裝藥驅(qū)動(dòng)預(yù)制破片試驗(yàn)進(jìn)一步研究了幾種不同的典型夾芯復(fù)合艙壁結(jié)構(gòu)在沖擊波與高速破片聯(lián)合作用下的破壞效應(yīng)（圖3），結(jié)果表明破片能遠(yuǎn)大于沖擊波能；前面板主要是抵御沖擊波，其變形破壞整體為撓曲大變形，局部為集團(tuán)破片沖塞破口、破片穿孔和撞擊凹坑；背板以撓曲大變形吸能為主，闡述了夾芯復(fù)合艙壁結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊波與高速破片群聯(lián)合毀傷作用的防護(hù)機(jī)理。李典等［58］采用與文獻(xiàn)［57］類(lèi)似的方法進(jìn)一步研究了幾種新型的芳綸纖維夾芯結(jié)構(gòu)與高強(qiáng)聚乙烯夾芯結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊波與高速破片聯(lián)合毀傷的防護(hù)性能，研究認(rèn)為夾芯結(jié)構(gòu)中的芯層對(duì)爆炸載荷起到了“中介”轉(zhuǎn)化的作用，將作用面積小、作用時(shí)間短的破片點(diǎn)載荷轉(zhuǎn)化為作用面積大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的面載荷，擴(kuò)大了載荷的作用范圍，并有效通過(guò)后面板的整體大撓度彎曲吸收破片群的動(dòng)能。

此外，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者還研究了爆炸沖擊波與破片群對(duì)整體艙室結(jié)構(gòu)的毀傷模式及毀傷效應(yīng)。李偉等［59］針對(duì)典型艙室結(jié)構(gòu)，采用縮比模型試驗(yàn)，通過(guò)帶殼裝藥模擬導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部，研究了帶殼裝藥在模型艙室結(jié)構(gòu)中爆炸后對(duì)艙室結(jié)構(gòu)的破壞模式及毀傷效應(yīng)，結(jié)果表明沖擊波與破片群的聯(lián)合作用是對(duì)爆炸近區(qū)的局部結(jié)構(gòu)毀傷的主要因素。Kong等［60］針對(duì)典型的多艙結(jié)構(gòu)，采用模型試驗(yàn)及MSC.Dytran程序，研究了帶殼裝藥內(nèi)部爆炸后沖擊波與破片群的聯(lián)合毀傷效應(yīng)，認(rèn)為破片群對(duì)沖擊波有一定的導(dǎo)向作用，兩種載荷形式對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞效果相互影響，并指出液艙對(duì)破片群的防護(hù)起到了關(guān)鍵作用。

綜上所述，目前爆炸沖擊波與破片群聯(lián)合作用的研究主要集中在典型的局部結(jié)構(gòu)，如鋼質(zhì)艙壁、夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)及金屬夾層結(jié)構(gòu)等，通過(guò)試驗(yàn)研究結(jié)合數(shù)值方法，對(duì)此類(lèi)結(jié)構(gòu)在兩種載荷聯(lián)合作用下的毀傷模式及毀傷機(jī)理有了一定的認(rèn)識(shí)，尚需解決的主要問(wèn)題如下：

1）目前，采用的數(shù)值方法是認(rèn)識(shí)沖擊波與破片群聯(lián)合作用對(duì)艦船結(jié)構(gòu)的毀傷機(jī)理，定量獲得結(jié)構(gòu)毀傷規(guī)律的主要手段。為提高數(shù)值方法的適用性，尚需深入新型材料的力學(xué)本構(gòu)模型、復(fù)雜應(yīng)力條件下材料/結(jié)構(gòu)的失效準(zhǔn)則，以及高效的多物質(zhì)場(chǎng)/多接觸面耦合方法等問(wèn)題。

2）目前，針對(duì)爆炸沖擊波與破片群聯(lián)合作用對(duì)艦船結(jié)構(gòu)的毀傷研究主要依靠模型試驗(yàn)，雖然可揭示結(jié)構(gòu)的毀傷模式及其防護(hù)力學(xué)機(jī)理，但模型試驗(yàn)的結(jié)果目前尚無(wú)可靠的方法換算到實(shí)際結(jié)構(gòu)的毀傷性能，難以有效支撐防護(hù)結(jié)構(gòu)抗毀傷性能評(píng)估，因此尚需深入研究計(jì)及應(yīng)變率因素的沖擊波與破片群聯(lián)合作用對(duì)結(jié)構(gòu)毀傷的相似關(guān)系及相應(yīng)的換算方法等問(wèn)題。

6 結(jié) 語(yǔ)

艦船抗內(nèi)爆防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分，深入認(rèn)識(shí)導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部船內(nèi)爆炸載荷特性及對(duì)不同類(lèi)型艦船結(jié)構(gòu)的毀傷機(jī)理是提升我國(guó)艦船抗內(nèi)爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力的重要前提，特別是隨著科技進(jìn)步，新材料及新型結(jié)構(gòu)的不斷出現(xiàn)，為艦船抗內(nèi)爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了更好的素材。通過(guò)系統(tǒng)總結(jié)船內(nèi)爆炸載荷構(gòu)成及對(duì)水面艦船結(jié)構(gòu)的毀傷特征，重點(diǎn)闡述了國(guó)內(nèi)在船內(nèi)爆炸對(duì)艦船結(jié)構(gòu)毀傷研究方面的主要進(jìn)展，針對(duì)工程需求，提出了若干關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題，可以為艦船抗內(nèi)爆結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展提供規(guī)劃，進(jìn)而為艦船抗內(nèi)爆防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供借鑒與參考。

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