空爆载荷下舱壁新型加筋结构形式研究

张 健，姚 潞，尹 群，王 珂

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江212003)

0 引 言

在海战中，舰船是最容易受到攻击的对象，反舰导弹进入舱室产生剧烈的爆炸，对舰船的生命力会造成致命打击。舱壁结构是船体的重要组成部分，且对部分舱室如炸药舱室、燃油舱室等，起到了隔离保护的作用，因此对舱壁结构的抗爆性能研究，显得尤为重要。

近年来，为了加强舱壁结构的抗爆抗冲击性能，国内外学者对舱壁结构进行研究。张世联［1］、朱锡［2-3］等对双层舱壁在空爆载荷下的动态响应做了详细的理论、实验研究分析。国外学者对舱壁结构也有深入研究，但能公开查找的文献比较少。

本文针对单层舱壁结构，设计几种新型的舱壁结构形式，研究其在空爆载荷下的抗爆抗冲击性能。再对这些结构的抗爆性能进行分析对比，得到一种抗爆性能较好的结构形式。从而实现对舱壁结构抗冲击性能的改善，为舱壁结构的优化设计提供参考。

1 舱壁结构抗爆性能的评判标准

衡量舰船结构形式是否优良的标准和考量舰船抗冲击能力是否合格的指标有所不同，除了关心平台上某些重要部位的速度、加速度峰值外，抗爆结构形式还关心其吸收外来能量的能力和变形量。参考一些文献资料［4-5］，评判一种结构的抗爆性能可以主要从以下几个方面进行:

1)爆炸载荷下结构的变形情况

爆炸载荷能引起结构的局部大变形，变形可能损坏安装在结构上的机器设备，如果这种变形达到一定程度甚至超过材料的最大失效应变就有可能发生破口。因此较优的舰船舱壁抗爆结构形式应使舱壁结构产生较小变形，以保护被舱壁隔断的弹药舱和燃油舱。

2)爆炸载荷下结构的吸能情况

抗爆结构是在空中爆炸载荷作用下，结构通过发生一定的塑性变形来吸收爆炸产生的能量，也即在舰船舱壁遇到爆炸冲击波传来的能量时，能够通过牺牲一些非主要构件来吸收能量。对于吸能较多的结构，它可以通过提高结构刚度和扩大结构损伤变形来实现对冲击波能量的吸收，起到保护舰船内部结构和重要设备的作用。

3)爆炸载荷下结构某些重要部位特征点的加速度响应情况

结构是设备的载体，设备上承受的加速度峰值受结构加速度大小的直接影响，加速度峰值过大会使设备产生过载振动而失灵或损坏，较优的舱壁抗爆结构形式应该能够减少加速度峰值，所以加速度响应也是考察判断一种新型结构形式好坏的标准之一。这一点对舰船上面安装的精密武器来说尤为重要。

除上述3 点外，新型抗爆舱壁结构还应具有成本合理、安全可靠、重量适当、工艺不过于复杂及易于加工制造等特点。

2 新型单层舱壁结构抗爆抗冲击有限元分析

目前舱壁结构最为普遍的是板筋舱壁结构，对双层舱壁结构虽有研究，但运用的比较少，且其制造加工过程过于复杂。基于此，本文针对单层舱壁结构，设计几种新型的单层舱壁形式。对这几种新型单层舱壁结构形式在空爆载荷下的动态响应进行分析比较，并与传统的板筋结构舱壁进行对比，得到一种较优的单层舱壁结构形式。

2.1 新型单层舱壁结构模型设计

在传统的船体结构优化设计中，仅靠增加结构重量来改善船体的防护性能。但结构重量是影响船舶性能以及建造成本的重要因素，只靠增加结构重量来改善抗爆抗冲击性能有限，只有展开抗爆结构的设计才是根本之道。本文基于传统板筋单层舱壁结构如图1所示。在保持舱壁整体结构重量基本不变的前提下，通过改变舱壁板上的加筋结构形式，设计了三角管型、半圆管型、方管型加筋的舱壁结构。

图2 为三角管型舱壁结构形式及其横截面形状。三角管呈竖向排列在舱壁上面，每隔500 mm 设置1个三角管，总共设计了10 根管子。三角管的横截面是1个等腰三角形，其底和高都是250 mm。

图3 为半圆管型舱壁结构形式及其横截面形状。半圆管呈竖向排列在舱壁上面，每隔500 mm 设置1个半圆管，总共设计了10 根管子。半圆管的横截面是1个半圆形状，其直径是250 mm。

图4 为方管型舱壁结构形式及其横截面形状。方管呈竖向排列在舱壁上面，每隔500 mm 设置1个方管，总共安排了10 根管子。方管的横截面是1个长方形，边长分别为250 mm和160 mm。

图1 板筋舱壁舱室结构Fig.1 Stiffened-plate bulkhead structure

图2 三角管型的舱壁结构Fig.2 Triangular tube bulkhead structure

图3 半圆管型的舱壁结构Fig.3 Semicircle tube bulkhead structure

图4 方管型的舱壁结构Fig.4 Square tube bulkhead structure

表1 对传统板筋舱壁结构与3 种新型舱壁结构的重量进行比较，以确保下文对其抗爆抗冲击的比较分析在结构重量一致的基础上进行。从表1 中可看出，3 种新型舱壁结构的重量较传统板筋结构的重量差距都在5%之内，可在此基础上进行有限元计算分析。

表1 舱壁结构的重量Tab.1 The weight of the bulkhead structure

整个舱室模型为船体三舱室模型，高7.5 m，宽8 m，长9 m (见图1)。舱室分为上中下3个舱室，中间1个舱室为爆炸舱室，其舱壁为本文重点研究结构。舱壁材料选用945 钢，舱壁厚度为6 mm，采用弹塑性 (DMAT/DMATEP)本构模型，材料的屈服模式选用冯·米塞斯屈服模型。该模式工程中常用并且符合实验分析，同时应变率效应参考软件程序的缺省值，不考虑材料的温度效应。炸药统一选取50 kg，放在爆炸舱室中心处。

2.2 计算结果及分析

利用有限元软件MSC.Dytran 对上述3 种不同舱壁结构形式进行数值仿真计算。对爆炸后的舱壁结构，对比分析3 种新型舱壁结构与原来板筋舱壁结构的仿真数值结果。分别对舱壁结构的吸能特性、结构变形、应力分布和冲击环境进行分析比较。

2.2.1 舱壁结构吸能比较分析

图5 为传统板筋舱壁与新型舱壁结构能量吸收时间历程曲线。它反映了舱壁结构在爆炸冲击波作用下的塑性变形能吸收情况。整体舱壁结构分为2个部分:一部分是舱壁板结构，还有一部分是舱壁面上的型材，即板筋、三角管、半圆管、方管。从图5 可看到，舱壁结构上舱壁板的吸能都较高于舱壁型材的吸能。而新型舱壁结构中，两者的吸能值较传统板筋结构的更为接近。对于方管型舱壁，两者的吸能近乎一样，方管结构的本身吸能特性更佳。

图5 舱壁结构吸能时间历程曲线Fig.5 Energy-time curves of bulkhead

为了更直观地了解传统板筋舱壁结构与新型舱壁结构的吸能，以及舱壁面与型材的吸能情况，下面将上述几种不同舱壁结构的最终吸能统计于表2中，进一步对比分析它们的吸能特性。

表2 舱壁结构的最终吸能值Tab.2 The final energy value of bulkhead

表2 分别列出了舱壁板、舱壁上型材以及舱壁整体结构的最终吸能值，及新型舱壁结构相对于传统舱壁结构的吸能百分比。观察舱壁板的吸能值可发现，新型舱壁结构的舱壁板的吸能值较传统结构的舱壁板都超出10%左右，半圆管型的舱壁板甚至大出了20%。因为4 种舱壁结构形式的舱壁板尺寸跟厚度都一样，这就充分说明舱壁板上型材结构的变化对舱壁板的吸能也有较大的影响。再看舱壁上型材的吸能，显然新型舱壁结构上的型材吸能超出传统板筋结构的吸能很多，基本超出近50%，方管型舱壁上的型材吸能甚至超出了将近70%。最后分析整体吸能情况，新型舱壁整体结构的吸能都超出传统板筋舱壁20% 多。通过这一系列数据对比分析可以看出，新型舱壁结构的设计不仅增加了原有的舱壁板的吸能，更使得舱壁整体结构的吸能大有提高。尤其是方管型舱壁结构，吸能效果更加显著，其方管的吸能整整比三角管、半圆管结构超出20%。这也进一步证明方管型舱壁结构抗爆抗冲击效果相对于另2种新型结构形式更优。

2.2.2 舱壁结构变形比较分析

图6 分别给出了传统的板筋舱壁结构与3 种新型舱壁结构的变形云图。从图中可看出，3 种新型舱壁结构的变形云图分布都相似。其最大变形都发生在舱壁的两端，如图中的两端红点所示，分别是三角管0.242 m、半圆管0.252 m、方管0.238 m，且在舱壁的上下两端变形也几乎一样。越靠近舱壁中间部分，其变形逐渐减小。但观察板筋舱壁结构可知，其变形最大值出现在舱壁中心部分，并且有向两端变形逐渐变小的趋势。通过分析4 种舱壁结构的变形情况可以看出，新型舱壁结构较原先的板筋舱壁结构变形大有不同，说明舱壁面上结构的变化，对爆炸后舱壁结构的变形有较大的影响。

图6 板筋舱壁结构与新型舱壁结构的变形云图Fig.6 Deformation diagram of bulkhead structure

为了进一步分析各种舱壁结构形式在爆炸载荷作用下的变形量，下面将相同炸药量下不同舱壁结构形式的最大变形列入表3。

表3 舱壁结构的最大变形量Tab.3 The maximum deformation of bulkhead structure

从表3 舱壁结构最大变形量的统计数据可以看出，新型舱壁结构形式的变形量较传统的板筋舱壁结构都有所下降，且下降幅度基本在20%左右。这就说明改变舱壁面上的型材后，使得结构的抗爆抗冲击能力有了显著提高。再观察3个新型的舱壁结构模型，发现三者的最大变形值几乎一样。方管型舱壁的最大变形值相对最小，其舱壁结构的最大变形减小至传统板筋型舱壁的77.52%。由此可以初步判断方管型舱壁结构的抗爆抗冲击性能在3个新型舱壁中最好。

2.2.3 舱壁结构应力比较分析

图7 是传统板筋舱壁与新型舱壁结构在爆炸冲击波作用下的最终应力云图。从图中可看出，板筋舱壁结构上所受的应力值普遍都比3 种新型舱壁结构大，且在舱壁面上分布更广。新型舱壁结构所受的应力基本都集中在舱壁角隅［6-7］处，且最大应力也在角隅处产生。新型舱壁上大部分的应力值都处于较低水平，由此也可以看出，新型舱壁结构相对于传统板筋舱壁结构的抗爆抗冲击性能更加优良。观察各个舱壁结构的最终应力云图，可读出其爆炸载荷局部最大应力值:板筋舱壁626 MPa，三角管舱壁631 MPa，半圆管舱壁651 MPa，方管舱壁567 MPa。可以看出其最大应力值差距不大，但方管型舱壁结构的最大应力值更小，说明其结构抗爆性能更优。

图7 舱壁结构应力分布Fig.7 Stress distribution of bulkhead structure

2.2.4 舱壁结构加速度比较分析

图8 是舱壁上中心点(即node512)在各种舱壁形式下的加速度时间历程曲线。从图中可看出，加速度曲线都在刚开始时加速度值为0，随着冲击波传播到舱壁，加速度值迅速上升到最大值，随后经过几次较大幅度的震荡，逐渐减小。

图8 舱壁中心点加速度时间历程曲线Fig.8 Acceleration-time curves of the center point

表4 分别列出了传统板筋舱壁结构与新型舱壁结构的最大加速度值。可以看出，单从加速度这方面分析，似乎看不出哪个舱壁结构的抗爆抗冲击效果好。4 种舱壁结构的加速度值几乎没有差距。

表4 舱壁中心点最大加速度Tab.4 The maximum acceleration of the center point

3 结 语

本文重点对舱壁结构的抗爆抗冲击性能进行研究分析。在保证舱壁结构整体重量基本不变的前提下，从传统板筋舱壁角度出发，设计出3 种新型舱壁结构，即三角管型舱壁结构、半圆管型舱壁结构及方管型舱壁结构。通过对不同舱壁结构的动态响应分析比较，得到以下结论:

1)从吸能角度看，舱壁整体结构的吸能分为舱壁板与板上型材的吸能，舱壁板的吸能略大于型材的吸能。3 种新型舱壁结构的吸能普遍大于传统板筋舱壁结构的吸能。新型加筋结构的吸能超出板筋结构50% 左右，整体结构的吸能也超出30%左右。

2)对3 种新型舱壁结构形式而言，虽然它们的加速度响应差不多，看不出抗爆效果的好坏。但在结构重量相等的前提下可以看出，方管型舱壁结构的吸能大，变形小，应力最大值也偏小，且舱壁板所受应力均匀，应力值也偏小。由此可知，方管型舱壁结构在3 种新型舱壁结构中的抗爆抗冲击性能相对较优。

3)通过上述3 种舱壁的加筋形式的比较分析，不管是三角形、半圆还是方形，其底边长度均相同，所不同的是顶边由一个点变成圆弧，再变成直线，其顶部面积越来越大。由此规律可以预见，当顶部面积无限放大时，单层舱壁结构就变成了双层舱壁结构，其抗爆性能更佳，将在下一步的研究中进行验证。

［1］王佳颖，张世联，武少波，等.舱内爆炸载荷下双层横舱壁设计初探［J］.振动与冲击，2011，30(12):209-215.WANG Jia-ying，ZHANG Shi-lian，WU Shao-bo，et al.Design of double transverse bulkhead under the explosion load in the cabin［J］.Vibration and Shock，2011，30(12):209-215.

［2］陈长海，朱锡，侯海量，等.近距空爆载荷作用下双层防爆舱壁结构抗爆性能仿真分析［J］.海军工程大学学报，2012，24(3):26-33.CHEN Chang-hai，ZHU Xi，HOU Hai-liang，et al.Numerical analysis of blast resistance of double-layer bulkhead structures subjected to close-range air blast［J］.Journal of Naval University of Engineering，2012，24(3):26-33.

［3］梅志远，朱锡，侯海量，等.双层防爆舱壁结构动态吸能特性分析［C］//中国造船工程学会2007年船舶力学学术会议暨《船舶力学》创刊十周年纪念学术会议论文集，2007:383-388.

［4］刘建湖.舰船非接触水下爆炸动力学的理论与应用［D］.中国船舶科学研究中心，2003.

［5］梅志远，朱锡，刘润泉.加筋板结构爆炸载荷下动态响应数值分析［C］//MSC 论坛，2003.

［6］侯海量，朱锡，李伟，等.舱内爆炸冲击载荷特性实验研究［J］.船舶力学，2010，14(8):901-907.HOU Hai-liang，ZHU Xi，LI Wei，et al.Experimental study on load characteristics of blast in cabin［J］.The Mechanics of Ship，2010，14(8):901-907.

［7］孔祥韶，吴卫国，李俊，等.角隅结构对舱内爆炸载荷影响的实验研究［J］.中国造船，2012(3):40-50.KONG Xiang-shao，WU Wei-guo，LI Jun，et al.Experimental research of influence of corner structure on blast loading under inner explosion［J］.Shipbuilding of China，2012(3):40-50.