水下近场及接触爆炸作用下双层底结构损伤试验研究

杨棣，姚熊亮，张玮，祝祥刚

(1.哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨 150001;2.海军装备研究院，北京 100161)

水下近场及接触爆炸作用下双层底结构损伤试验研究

杨棣1，姚熊亮1，张玮2，祝祥刚1

(1.哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨 150001;2.海军装备研究院，北京 100161)

针对水面舰艇底部结构设计双层底缩比试验模型;据冲击因子设定水下近场及接触爆炸工况，通过对试验结果分析，总结双层底结构在近场及接触爆炸载荷作用下的损伤模式;采用体积等效原理对试验模型裂纹处板厚变化分析，确定Q235钢在双层底模型拉伸破坏模式中的断裂应变;为舰船抗爆抗冲击的理论及数值研究提供参考数据。

双层底;近场爆炸;接触爆炸;损伤模式;断裂应变

双层底为舰船底部典型结构，研究其在水下爆炸载荷作用下的毁伤模式对舰船水下抗爆抗冲击性能具有重大意义。由于分析双层底结构在冲击载荷作用下的动力响应不仅涉及高应变率、材料几何非线性问题，还涉及复杂的结构形式、边界条件等，理论分析较困难。目前仅对如方板、矩形板、圆板［1－2］等简单结构有理论解析解，而对稍复杂的加筋板只能采用能量守恒原理建立变形、破损的近似估算公式［3］。

数值研究方法因易操作、研究周期短、经费投入低等优点被广泛用于舰船复杂结构的抗冲击研究［4－6］。针对双层底结构，Liu等［7］通过LS－DYNA分析获得考虑弹塑性的双层底模型的剩余强度。Yu等［8］通过LSDYNA分析、预测双层底结构在冲击载荷作用下的结构损伤形式，获得损伤过程中不同结构耗散能量。由于数值仿真研究均在已知模型所用材料特性及模型结构破坏衡准的前提下，通过有限元软件预测双层底结构的破坏形式，故需试验对所需衡准及损伤模式进行验证。朱锡等［9］对在接触爆炸载荷作用下加筋板损伤模式进行探讨。Villavicencio等［10］通过冲击试验仪对双层底结构加载，获得双层底结构的变形损伤过程。Wang等［11］利用冲击试验仪模拟搁浅及碰撞时双层底结构的开裂现象。对双层底结构在水下爆炸载荷作用下的损伤特性试验仍处于空白。

鉴于以上原因，本文试验针对舰船底部结构设计双层底缩比模型，据近场非接触及接触爆炸冲击因子定义设计三个工况，对双层底结构在水下近场及接触爆炸载荷作用下的力学损伤特性进行研究，为后续理论及数值仿真提供参考。

1 试验设计

由于实船水下爆炸试验价格昂贵、可操作性差、不适用于基础理论研究。因此据实船双层底结构设计双层底缩比试验模型。

1.1 模型设计

据典型舰船双层底结构设计的双层底缩比模型见图1、图2。双层底板架尺寸为2160 mm×1 920 mm，双层底高200 mm，其中外底板厚3 mm，内底板厚2 mm，内、外底间纵横两方向各均布6个主肋板及纵桁，将内、外底板分成6×6=36个小板格，每个小板格长宽为360 mm×320 mm，主肋板厚2 mm，纵桁厚3 mm，内、外底板在纵向均布18根加强筋，外底加强筋为扁钢3 mm×25 mm，内底加强筋为扁钢3 mm×30 mm。

图1 双层底外底布置图Fig.1 The layout of the outer bottom of the double bottom

图2 双层底内底布置图Fig.2 The layout of the inner bottom of the double bottom

图3 双层底试验模型Fig.3 The test model of double bottom

试验工况的冲击因子达10时模型在水下爆炸载荷作用下将产生剧烈的刚体运动，与双层底在舰船上相邻舱段对其约束的边界条件不符。为减小试验模型的刚体运动:①采用压载方式增加模型质量。即在双层底缩比模型上方0.4 m处设置加筋板形式平台，在平台上方建立一水密舱室结构，放置沙袋压载。既可实现预定压载，又能防止直接在内底板上压载影响冲击响应;②在双层底模型外底两侧设置加筋翼板，增大水对试验模型的附加阻尼，减小双层底模型刚体运动。双层底试验模型结构布置图见图3。

1.2 试验工况

试验分为三个工况，用SR68.4 TNT球状炸药，药量均为2 kg，爆距分别为1.0 m，0.5 m，0.14 m，爆点位置在板架正中心，见图4。试验方案设计初始阶段获得试验模型重量后，利用动量定理确定在试验模型上方水密舱室内的压载重量，用于模拟设备及其它设施的压载作用，减少模型因水下爆炸载荷引起的刚体运动。试验时放入预设质量沙袋后调试设备，设定试验参数，利用高压电引爆炸药进行试验。

图4 试验工况示意图Fig.4 The schematic diagram of the tests'condition

2 试验结果及分析

水下爆炸分近、中、远场爆炸，以爆距及TNT当量药包半径之比(=R/r)作判据，≤30为近场爆炸，30≤≤110为中场爆炸≥110为远场爆炸。

2.1 工况1结果及分析

工况1的冲击因子为1.4，属近场非接触爆炸。双层底模型产生塑性大变形，将双层底按图5位置绘制图6坐标系，变形挠度见表1、表2。从中选取Y轴坐标为800 mm、960 mm、1120 mm三位置处挠度值绘制挠度曲线对比见图7，其中横轴所取点为主肋板及板格中心点。

由图5看出，左右加筋翼板变形并不对称，由于试验模型非固定于水池，漂浮于水中，真实模拟船体底部结构在水中航行时的状态，双层底上部舱壁结构中放置的沙袋导致药包引爆后双层底结构运动具有一定随机性，使模型的整体位移未得到有效控制，误差不可避免。加筋翼板作为双层底试验模型的辅助结构为减少双层底刚体运动、增加附加阻尼，因此加筋翼板损伤不能作为试验观测的主要目的。故主体结构未出现问题，产生偏差不大，次要结构由于不可控因素及制造过程中工艺问题导致产生些许偏差，可以接受。

由图7看出，双层底外底在水下爆炸载荷作用下整体产生大变形。对比x轴坐标分别为900 mm、1 080 mm、1 260 mm三点挠度值，1 080 mm纵桁处挠度值较900 mm，1 260 mm纵桁旁小板格中心处挠度值小，因当载荷相对较弱时纵桁将作为小板格的强边界支撑限制面板变形。因此，在近场非接触爆炸载荷作用下双层底结构整体产生塑性大变形同时伴随明显的板格局部变形。

图5 工况1外底变形示意图Fig.5 The deformation diagram of the outer bottom in condition 1

图6 坐标位置示意图Fig.6 The sketch diagram of coordinates

图7 外底挠度曲线对比图Fig.7 The comparison chart of the outer bottom's deflection curve

表1 工况1外底板挠度值(单位:mm)Tab.1 The deflection of the outer bottom in condition 1(Unit:mm)

表2 工况1内底板挠度值(单位:mm)Tab.2 The deflection of the inner bottom in condition 1(Unit:mm)

由表2选y轴坐标为960 mm的纵桁处内、外底挠度变形值绘制挠度曲线对比图见图8。由于水下爆炸载荷首先直接作用于外底板，再通过连接内、外底板的主肋板及纵桁将载荷传递至内底板，故主肋板、纵桁出现塑性变形，并在其横剖面内受压，局部位置出现动力屈曲，见图9。因此，在近场非接触爆炸载荷作用下双层底结构中主肋板、纵桁会出现塑性变形及动力屈曲两种相互耦合的损伤模式。

图8 内、外底挠度曲线对比图Fig.8 The comparison chart of the out bottom's and the inner bottom's deflection curves

图9 高腹板动力屈曲Fig.9 The dynamic buckling of the high web

由图10、图11看出，内底板局部位置在边界附近出现皱折现象。由于纵桁、主肋板、双层底边界作为小板格支撑边界的同时此处板格弯曲受压形成动力屈曲。

图10 内底板屈曲Fig.10 The dynamic buckling of the inner bottom

图11 边界处内底板屈曲Fig.11 The dynamic buckling of the inner bottom at the border

综合上述现象，在近场非爆炸载荷作用下，双层底会出现三种损伤模式，即整体塑性大变形同时局部板格出现塑性小变形;主肋板、纵桁塑性变形同时伴随动力屈曲;边界附近内底板动力屈曲。

2.2 工况2结果及分析

工况2冲击因子为2.8，属近场接触爆炸。双层底模型整体产生塑性大变形，且在外底沿主肋板方向出现裂纹，见图12。主肋板及纵桁出现动力屈曲，见图13。

图12 工况2外底裂纹示意图Fig.12 The crack diagram of the outer bottom in condition 2

图13 纵桁动力屈曲Fig.13 Dynamic buckling of girders

对比工况1、2损伤模式表明，当水下爆炸载荷足够大时结构会发生断裂，且多集中于板格边缘，因板格边缘受到约束，易产生应力集中。测量裂纹边缘板厚知其它部位减薄现象明显，属典型的拉伸型断裂。且外底发生断裂部位均沿主肋板方向，在垂直裂纹方向有一较大拉伸变形，而在沿裂纹方向拉伸变形较小。因此，可据体积不变原理，采用单向极限应变假设分析双层底结构断裂应变［12］，即

式中:t，t1为变形前后板壳厚度［12］。

由式(1)知，双层底结构断裂应变需由壳板变形前后厚度获得，因此，试验测量过程中将裂纹按各自长度分别等分测量获得各测点处板厚，见表3。

将表3中裂纹厚度按式(1)进行处理，获得各裂纹处断裂应变见表4。由于试验加工时会造成模型有初始损伤，且冲击载荷非均布会导致裂纹处各点受力不同及因裂纹处局部壳板出现褶皱对测厚结果影响，故将表4中所有断裂应变值求和取平均消除一定误差。由此得Q235钢的双层底结构断裂应变为0.40。

表3 工况2双层底的各裂纹处板厚(单位:mm)Tab.3 The thickness along the crack of double bottom in condition 2(unit:mm)

表4 工况2双层底外底各裂纹处断裂应变Tab.4 The fracture strain of double bottom along the crack in condition2

综上所述，在近场接触爆炸作用下，双层底结构整体将在产生塑性大变形的同时，局部板格边缘出现拉伸断裂破坏。由于以往的试验均针对光板及加筋板结构，而本次试验则是舰船底部结构，不仅具有加筋板结构特点，且具有主肋板及纵桁连接内、外底的结构形式，工况2下双层底结构损伤模式即外底在沿主肋板方向出现裂纹而未在沿加强筋方向出现裂纹，因此变更了对水面舰船底部结构破坏形式的认知。裂纹沿板格边缘充分发展、使整个板格脱落、形成破口，因此开裂判据为水面舰船底部结构在水下爆炸载荷作用下形成破口提供了断裂衡准，也为数值仿真提供了参考资料。

2.3 工况3结果及分析

工况3的冲击因子为10时属接触爆炸。双层底模型整体出现塑性大变形，外底、内底均产生破口，内底板在破口周围出现花瓣开裂现象，见图14、图15。

图14 工况3破口外部示意图Fig.14 Thediagram of the outer crevasse in condition 3

图15 工况3破口内部示意图Fig.15 Thediagram of the inner crevasse in condition 3

双层底外底处破口边缘位置均沿主肋板及纵桁，而破口断面处整齐无明显减薄现象。由此推断，由于主肋板及纵桁对内、外底板的强支撑，冲击载荷作用下此处易产生应力集中，导致连接处反为薄弱环节，最先达到临界剪切应变而断裂。即双层底模型在接触爆炸载荷作用下产生冲塞效应，破口在结构相对薄弱处主要因发生剪切失效形成。

观察双层底内底处破口边缘看出，在板架正中4个板格处形成的破口边缘与双层底外底破口边缘断面相同;双层底内底先出现以主肋板及纵桁作为边界的剪切破坏形成破口后内底沿板格边界发生开裂现象，即裂纹从破口边缘向内底四周扩展，造成周边板格拉伸破坏。由图15内底未开孔处看出，开孔处裂纹数与未开孔处裂纹数相似，由此可知，内底开孔导致结构强度减弱并非产生开裂的主要原因。反而因冲击载荷作用下双层底由于剪切破坏产生破口后，大部分能量随破口消散，剩余能量沿内、外底的连接构件传递给内底，使其沿结构薄弱处继续变形开裂，即拉伸破坏。

综合工况2、3现象知，接触爆炸载荷作用、不同冲击因子情况下，双层底模型均产生塑性大变形，但冲击因子为2.8时双层底外底板格边缘产生裂纹，而冲击因子为10时则内、外底均因剪切破坏形成破口，同时内底开裂，即形成拉伸破坏，此由双层底结构区别于加筋板结构的特殊性导致。

3 结论

本文针对水面舰艇底部结构设计双层底缩比模型，实施水下近场及接触爆炸损伤试验。通过对比分析试验结果，总结双层底结构在近场及接触爆炸载荷作用下的损伤模式，确定Q235钢在双层底模型拉伸破坏模式中断裂应变的同时为后续理论计算及数值仿真提供参考依据，结论如下:

(1)水下近场及接触爆炸下双层底结构典型损伤模式包括塑性变形、动力屈曲及剪切或拉伸破坏形成破口。实际工况通常为几种模式的耦合，而某种模式占主要地位。近场爆炸载荷作用下双层底以整体塑性大变形为主;接触爆炸载荷下双层底损伤模式以整体形成塑性大变形及破口为主。载荷处于两者之间时，双层底结构产生塑性大变形、板格边缘产生裂纹。以上三种情况均会伴随肋板、纵桁等构件的动力屈曲损伤。

(2)由于板格边缘受到约束，易产生应力集中，因此在水下爆炸载荷下裂纹通常产生在板格边缘。裂纹沿板格边缘充分发展时使整个板格脱落，形成破口。板架结构破口多以板格边缘为边界。

(3)冲击载荷作用于结构、载荷达到一定大小后，结构将产生拉伸或剪切破坏;剪应变超过结构的抗剪能力、正应变未超过其抗拉强度时为剪切破坏，断面光滑，断面法向与所受剪力方向垂直。反之则为拉伸破坏，此时断面粗糙，断面方向无规律。两种破坏形式在实际结构破坏中相互依存，密不可分，其中之一占主要位置而已。

(4)通过对试验测量结果分析，获得由Q235钢加工的双层底结构产生拉伸变形失效时断裂应变为0.40，此断裂衡准可作为舰船底部结构破坏数值仿真中材料参数的设定依据。

(5)主肋板、纵桁面内受压时会出现动力屈曲。由于纵桁、主肋板、双层底边界作为小板格的支撑边界，内底板横剖面受中面力出现皱折，使双层底位置结构失稳，丧失部分承载能力。

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Experimental on double bottom's structural damage under underwater near-field and contact explosions

YANG Di1，YAO Xiong－liang1，ZHANG Wei2，ZHU Xiang－gang1
(1.Harbin Engineering University，College of Shipbuilding Engineering，Harbin 150001，China; 2.Naval Academy of Armament，Beijing 100161，China)

A double bottom＇s experiment model was designed based on the surface ship＇s bottom structure，under the simulated working conditions of underwater near－field and contact explosion according to corresponding impact factors. Then the damage modes of the double bottom structure were summarized through the analysis of experiments＇results.The fracture tensile strain of the double bottom model made of steel Q235 was obtained by virtue of the principle of equivalent volume and by analyzing the change of crackle thickness in experimental model.The results provide the reference data for ship＇s anti－shock and anti－explosion＇s theoretical and numerical research.

double bottom;underwater near－field explosion;contact explosion;fracture strain

U611.41

A

10.13465/j.cnki.jvs.2015.02.028

国家自然科学基金项目资助(51279038);国家安全重大基础研究项目(613157)

2014－04－04修改稿收到日期:2014－08－29

杨棣女，博士生，1989年2月生

姚熊亮男，博士，教授，博士生导师，1963年3月生