多舱防护结构水下接触爆炸吸能研究

张伦平，张晓阳，潘建强，刘建湖

（1中国船舶科学研究中心，江苏 无锡214082；2哈尔滨工程大学 船舶工程学院，哈尔滨150001）

1 引 言

水下接触爆炸时，药包附近的舰船结构会出现大范围的破损，单层板结构不能对舰船内部重要设备和人员进行有效防护，多舱防护结构才可能有效防护水下接触爆炸载荷。

由于舷侧遭受鱼雷接触爆炸威胁较大，多舱防护结构一般布置在两舷侧，又称为舷侧防护结构。多舱防护结构一般为膨胀舱、吸收舱和水密舱的三舱防护结构，膨胀舱为空舱，内部布置交错的隔板，为第一道防线，吸收舱内装有大量的水或重油，吸收舱内壁很厚，为悬链力结构，可提供大量变形能，为第二道防线，水密舱为空舱，水密舱内壁上有很强的加强筋，为最后一道防线。见图1。

世界海军强国很早就开始进行多舱防护结构的研究，并很快将其应用到航母上。二战前后，世界各国航母上就开始采用舷侧多舱防护结构防御鱼雷或水雷的接触爆炸。资料显示，世界海军强国为研究多舱防护结构，投入巨大，也得到了丰富的成果。1947年美国曾对“独立号”和“萨拉托加号”航母进行水下爆炸试验，后来建造的尼米兹级航母全舰共有2 000多个水密舱室，是世界上生命力最强的军舰。日本也开展了大量的实船试验，系统研究了多舱防护结构的结构形式、舱室宽度、舱室布置、防护壁板厚等多个参数。前苏联对多舱防护结构各防护舱室宽度甚至防护结构上层甲板厚度都有明确的限制，还建立了计算舷侧接触爆炸极限药量的经验公式。

舷侧防护结构占用很大的空间和质量，一般在大型舰船上使用，而我国的大型舰船相对较少，相关的研究也很少。海军工程大学对舷侧多舱结构的破损和防护机理进行了研究，得到了一些规律性的结论。

本文进行的多舱防护结构模型水下接触爆炸试验，以及基于能量的分析结果，对于未来我国大型舰船舷侧防护设计具有一定意义。

图1 多舱防护结构示意图Fig.1 The Sketch map of multicamerate defence structure

2 多舱防护结构模型设计

国外大型舰船的多舱防护结构，在船长方向长数百米，在船宽方向宽4～5m，在船高方向高约10m，非常庞大，而且整体形状并不规则，内部还有众多大大小小的加强筋，要建立准确的缩比模型非常困难。

因此，本文中的试验模型并不是多舱防护结构的缩比模型，但在可能的范围内，尽量保留了普通多舱防护结构的相对尺寸关系，并全部模拟了多舱防护内部的主要功能结构。

膨胀舱内有带孔的横竖交叉的隔板，众多的交叉隔板将外板和膨胀舱内壁连成一体，且自身在爆炸载荷作用下必然变形和破裂，在影响膨胀舱破坏模式的同时也消耗了载荷，是重要的功能结构，隔板上的孔可能使爆炸产生的高压气团更容易扩散。模型对膨胀舱内交叉隔板及隔板上的孔都进行了模拟，为了加工方便，用圆孔替代椭圆孔。

吸收舱内80%容积为液体，一般为重油或水，其主要作用是吸收破片。模型吸收舱内也有80%的液体，装的是水，但考虑到破片速度很高，模型内0.1m左右的水层可能不足以吸收破片，在吸收舱内叠放多块自由的薄玻璃钢板，既能保证破片吸收，又不影响冲击波的透射效果。

吸收舱内壁为厚板，在爆炸载荷作用下能形成悬链力结构，吸收大量载荷能量，其与上下结构连接的接头刚度非常大，且能避免吸收舱内壁大变形时的应力集中，是吸收舱内壁发挥最大功能的保证。模型中吸收舱内壁与周边的连接处用角钢进行了加强，角钢提高了边界的抗拉能力，也减弱了应力集中，替代了实际结构上接头的效果。

模型总重量1.05t，其中排水量0.37t，负浮力0.68t。

模型分为试验框架和试件，试验框架用来模拟多舱防护结构的边界，试件模拟多舱防护结构。

2.1 试验框架

试验框架设计图如图2所示

试验框架的外总体尺寸为长×宽×高（mm3）：1 760×330×760， 内部模型安装尺寸为长×宽×高（mm3）：1 500×310×500， 共由三部分框架组成，每个框架均有锲口用于配合，三部分构件通过螺栓紧固，为了保证水密性，相邻构件的接合面均有橡胶条进行密封，框架的材料采用16Mn钢。

以吸收舱内壁屈服时的应力作用到框架作为最严酷载荷对试验框架进行强度校核。试验框架强度校核计算结果见图3。计算结果表明，在试件破坏产生的载荷条件下，框架最大应力位置出现在框架与试件焊接部位，最大值为288MPa，框架并未屈服，能够满足重复试验的要求。

2.2 试件

图2 试验模型框架Fig.2 The frame of experiment model

图3 试验模型框架强度校核结果Fig.3 The result of checking intensity for the frame of experiment model

考虑到模型加工、参数测量以及爆炸水池的条件，模型的设计高度为0.5m；根据经验，当板的长宽比大于3:1后，长边边界对板变形的影响可以忽略，因此，取模型长度为高度的3倍，即模型长度为1.5m；综合考虑舱室功能的模拟和加工、测量的可行性，取膨胀舱、吸收舱和水密舱模型的宽度分别为0.1m、0.1m和0.08m（改变功能舱宽度的试验模型除外）。整个舱室的宽度为0.28m。试件材料为Q235。

模型设计简图见图4。图中，附加舱主要目的是为了模拟水密舱内舱壁的状态，附加舱的宽度为50mm，附加舱水密盖板厚为20mm，外侧有角钢加强。

3 多舱防护结构模型水下接触爆炸试验

在CSSRC冲击爆炸试验水池，前后共进行了11次多舱防护结构模型水下接触爆炸试验。

3.1 试验工况设计

图4 模型设计简图Fig.4 The sketch of model design

表1 试验工况表Tab.1 The contents of experiments

试验工况见表1，其中，水密舱内壁厚度为3mm，水密舱宽度为80mm，这两者保持不变。另外，工况4爆炸试验在陆上进行，模型外板上焊接了一个壁厚1mm的水箱，里面灌满水，以保证爆炸气泡载荷在第一时间溃散，不会对模型破损造成影响。

在有限次数的水下接触爆炸试验中，主要考虑爆点位置、药量和板厚等主要因素对防护效果的影响，见表2。

表2 工况考核要素表Tab.2 The design for checking the parameter influence

3.2 试验后模型破损情况

试验后主要破坏和变形情况见表3，其中，在所有试验中水密舱内壁变形都很小，最大变形不到10mm。

试验后膨胀舱的破损比较严重，工况1、5、6、8为药量对比工况，外板破损情况见图5。从图中可以看到，随着药量增大，外板破损越来越严重，另外，膨胀舱内的隔板对抑制裂纹扩展有良好的作用。

表3 试验后破损情况表Tab.3 The disrepair of the model after experiment

图5 药量对比工况外板破损情况Fig.5 The disrepair of broadside plate under different mass detonator

4 试验结果能量分析

破损和变形测量能够定性反映多舱防护结构的防护效果，但很难量化。本文建立了以能量为基础的计算分析方法，能量既能准确描述爆炸载荷，又能量化结构破损和变形的总体效果，因此不仅能量化防护效果，还能得到载荷和响应之间的能量对比关系，具有一定的实用价值。

4.1 能量分析方法概述

初始能量为药包的化学能，取TNT的化学能为4.4MJ/kg，由药量可计算初始能量。

按水下爆炸理论，初始能量分为53%冲击波能和47%的气泡能，根据工况4的试验结果，气泡能对结构破损的影响可以忽略，因此，作用到多舱防护结构上的能量只是一部分冲击波能。

根据冲击波球形扩散的特点，结合药包和多舱防护结构的几何关系，可以推算总作用能量占总冲击波能的一半略少，准确的结果可以进行积分得到。

至此，可以计算得到总作用能量。

多舱防护结构总吸能量分为两大部分，近结构吸能和远结构吸能。近结构指整个膨胀舱，远结构指吸收舱内壁和水密舱内壁。近、远结构离爆点位置不同，结构形式也不同，对水下接触爆炸载荷的响应也不同。近结构离爆点最近，在舱内交叉隔板的衔接下，近结构会产生整体变形和局部破损，远结构离爆点较远，破片被水层吸收，载荷经过近结构和水层的缓冲，对远结构的作用趋于均匀，平板状的远结构主要产生总体变形。

舷侧防护结构的总吸能，可以按图6分为8个小项，从计算方法的不同，可分为3种。

图6 多舱防护结构吸能分类Fig.6 The energy sort of multicamerate defence structure

（1） 板变形能

板变形能包括4个小项：外板局部变形能、膨胀舱内壁局部变形能、吸收舱内壁变形能和水密舱内壁变形能。在这部分能量计算中，板的边界都近似作为固支边界，取变形模式为余弦变形模式，也可取抛物线变形模式，计算结果差别不大。量取目标板中心区域的挠度，就可以计算这块板的变形能。

尺寸为2a×2b×t的矩形板，取永久变形为余弦变形模式，最大变形为w，忽略弹性变形能，不考虑材料硬化，可得到弯曲变形能和拉伸变形能。

图7 膨胀舱整体弯曲变形示意图Fig.7 The sketch map of whole bending of inflated cabin

（2）板架结构变形能

板架结构变形能包括1个小项：膨胀舱整体变形能。膨胀舱内交叉隔板相当于工字钢中的腹板，使得膨胀舱的整体抗弯刚度很大，膨胀舱整体的变形能以弯曲变形能为主，具体计算时，可根据膨胀舱的整体挠度，结合交叉隔板的布置，将膨胀舱的整体变形能转化为多根工字钢的弯曲变形能。

（3） 板破坏能

第三种为板破坏能，包括3个小项：外板局部破坏能、膨胀舱内隔板破坏能和膨胀舱内壁局部破坏能。这部分能量计算是以Wierzbicki的吸能计算[1]为基础的改进，建立了以裂纹长度为参数的吸能计算方法，由于膨胀舱结构每块板都被分割成很多小板，破损的小板上会有裂纹，但不一定有破口，因此，改进后的计算方法更实用。

花瓣开裂条件下的弯曲能和断裂能变化率公式：

应用变分原理可得花瓣开裂总能量：

分析花瓣开裂总能量和花瓣开裂裂纹，可得到以裂纹长度为自变量的破坏总能量表达式：

4.2 能量分析结果

根据上面的能量分析方法，对全部11次试验的能量结果进行了计算，并对能量比例进行分析，见表4。

表4 能量分析结果表Tab.4 The results of energy analyse

4.2.1 爆点位置对防护效果的影响

比较工况1和2，发现与药包在板格中心相比，药包在板格交叉点时，远结构吸能减小了70%而近结构吸能增大了14%，比较近结构吸能的各个小项，外板破口吸能增大了38%，膨胀舱内壁破口吸能减小为零，膨胀舱整体变形能增大49%，膨胀舱内壁局部变形增大了103%。

爆点在板格交叉点时，防护效果最好，爆点在板格中心点时，防护效果最差，在药量较小时，两种条件下的远结构吸能可相差2～3倍。

4.2.2 膨胀舱内隔板对防护效果的影响

比较工况1和3，发现与膨胀舱内有隔板相比，膨胀舱内无隔板时，远结构吸能减小为零，近结构吸能差别较小，比较近结构吸能的各个小项，外板破口吸能增大了168%，膨胀舱内壁破口吸能减小为零，膨胀舱整体变形能减小为零。

可见，膨胀舱内的隔板对结构破坏模式有较大的影响，有隔板时，在膨胀舱内形成通道，远结构容易受到载荷作用而变形，无隔板时，在不考虑相互碰撞的前提下，外板、膨胀舱内壁都严重破裂后，远结构才会产生变形。

4.2.3 爆炸气泡载荷对防护效果的影响

图8 工况4试验状态示意图Fig.8 The photo of the fourth experiment

图9 工况7吸收舱内壁局部凹陷Fig.9 The local pit on the primary bulkhead in the seventh experiment

比较工况1和4，发现两者近结构和远结构吸能都非常接近，差别在10%以内，由于工况4药包在水箱内接触爆炸，气泡载荷在第一时间溃散，不可能对结构造成毁伤，因此，可以认为在工况1药包在水下接触爆炸时气泡载荷对结构损伤也基本无影响。

比较近结构吸能的各个小项，发现药包在水箱内爆炸时，膨胀舱内壁破口吸能增大100%，外板变形吸能增大31%，而膨胀舱整体变形吸能减小71%，这些能量差异是由于舷侧防护结构在纵向有10跨，而水箱在纵向只有3跨，导致局部变形和破坏更严重，而整体变形减小。

4.2.4 舱室宽度对防护效果的影响

比较工况5和7，发现两者近结构和远结构吸能都非常接近，差别在5%以内，但膨胀舱较宽，吸收舱较窄的工况7试验后在吸收舱内壁上发现了弹片击中形成的局部圆形凹陷，面积与药包截面积相近。这表明，吸收舱宽度需要保持在能够有效吸收破片的水平上。

4.2.5 板厚对防护效果的影响

膨胀舱内壁、外板和吸收舱内壁分别增加同等厚度时，舷侧防护结构的防护能力会得到不同程度的提升，提升的比例约为：1:2.5:3，详见表5。

4.2.6 总吸能量占总作用能量的比例

总吸能量/总作用能量约为80%，从图10可以看到，这个比例是基本固定的。

4.2.7 近、远结构的吸能比例

药量超过92g后，结构各部分吸能比例趋于稳定，最终近结构和远结构的吸能比例约为80%和20%。

表5 板厚对防护效果的影响Tab.5 The defense effect which is affected by plate thickness

图10 总吸能量/总作用能量按工况的分布Fig.10 The proportion between the energy absorbed and the laying energy in each experiment

图11 远结构吸能比例Fig.11 The proportion of absorbed energy within the distant structure

5 结 论

本文以舰艇多舱防护结构为研究对象，用理论方法推导了各部分结构整体变形、局部变形和破口等吸能的计算方法，并通过了系列缩比模型的水下爆炸试验验证。通过研究，得到以下主要结论：

（1）多舱防护结构在水下接触爆炸条件下，总吸能约占作用到结构总能量的80%；

（2）多舱防护结构在水下接触爆炸条件下，当药量超过一定量时，近结构和远结构吸能比例趋于稳定，约为4:1；

（3）多舱防护结构的膨胀舱外板、内壁和吸收舱内壁分别增加同等厚度时，舷侧防护结构的抗水下接触爆炸能力的提升比例约为：1:2.5:3；

（4）从陆上和水下对比试验结果来看，水下爆炸气泡对多舱防护结构的作用可忽略；

（5）水下接触爆炸载荷作用下，多舱防护结构膨胀舱内有、无隔板时，膨胀舱破坏模式不同：有隔板时膨胀舱的破坏贯穿外板和膨胀舱内壁，无隔板时，膨胀舱外板破坏到一定程度后，膨胀舱内壁才开始破坏。

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