水下爆炸载荷作用下水面目标局部毁伤计算研究∗

高 鑫（91439部队大连116041）

水下爆炸载荷作用下水面目标局部毁伤计算研究∗

高 鑫
（91439部队大连116041）

采用理论分析以及数值计算的方法对水下爆炸作用下水面目标的局部毁伤效应进行研究。首先对水面目标局部毁伤种类进行说明，然后建立了挠曲变形理论计算模型；选取典型目标，采用计算模型对其毁伤效应进行计算，计算结果同模型试验测试进行了比对分析。比对结果表明模型计算结果与试验测试结果在局部毁伤效应方面结果一致，验证了模型的正确性以及计算方法的可行性。

水下爆炸；水面目标；毁伤；破口；试验

Class Num ber U664.2

1 前言

水中目标受到鱼雷、深水炸弹攻击后可能产生各种各样的损伤形式，目标结构产生何种毁伤形式与兵器毁伤载荷形式密切相关，不同的载荷形式对应不同的毁伤形式。水面毁伤目标局部毁伤形式又可分为：近场或接触爆炸作用下水面毁伤目标结构局部破口毁伤；非接触爆炸作用下水面毁伤目标结构局部塑性变形毁伤。水下爆炸在目标附近或接触目标发生时，水面毁伤目标结构将产生局部区域的破口，从而造成目标结构的局部破口毁伤，其后果主要是造成目标进水和浮力损失以及目标结构剩余强度的损失。在水下非接触爆炸冲击波作用下，水面毁伤目标局部结构大多产生塑性动力响应，从而造成水面毁伤目标结构的局部塑性变形或塑性动力失稳毁伤。局部结构塑性变形毁伤的后果主要有：引起内部安装的设备的破坏，以及水面毁伤目标结构剩余强度损失。文献［1~9］等对水下爆炸载荷作用下目标毁伤效应进行了研究。本文采用理论分析以及数值计算的方法对水下爆炸作用下水面目标的局部毁伤效应进行研究，重点对非接触爆炸作用下水面目标结构塑性变形进行分析，并与模型试验结果进行比对，验证计算模型的正确性。

2 水面毁伤目标结构抗毁伤能力理论计算

水面毁伤目标结构破坏主要表现为结构（板、板架）的挠曲变形或者严重破口，此种情况毁伤会削弱目标的结构强度。

建立结构挠曲变形理论计算模型：假设加筋板结构为四周固支，在爆炸载荷作用下加筋板结构发生大挠度变形，考虑结构边界产生塑性铰线，最终变形的挠曲面近似为正弦曲面［10］。其挠曲面函数可取为

坐标系xoy位于结构的初始平面，原点设在结构左下角，如图1所示，板架长为L，板架宽为B，沿x、y方向加强筋的数量分别为n、m。这种变形模式主要求解加筋板中心挠度W0，求解方法可以根据能量守恒建立所需方程，即：爆炸载荷对结构作用的能量等于加筋板结构的塑性变形能，即U=K。结构塑性变形能U主要由三部分组成：边界塑性铰弯曲变形能U1，板架区域内的弯曲变形能U2，板架区域伸长变形能U3。

1）板架边界塑性铰弯曲变形能U1

边界塑性铰弯曲变形能取决于边界塑性铰的相对转角θ和骨架梁的极限弯矩Mb0。

其中：γx、γy分别为x方向和y方向边界的固定程度系数，边界为刚性固定时取为1；边界完全自由支持时，板架在边界处不产生塑性铰，因而取为0；M0i、M0j分别为沿x、y方向第i、j根骨架梁的塑性极限弯矩。

2）板架弯曲变形能U2

其中：N0i为x方向第i根骨架梁的极限中面力；N0j为y方向第j根骨架梁的极限中面力。

4）极限弯矩和极限中面力计算

根据梁的塑性弯曲理论，当梁完全进入塑性状态后，中性轴应使梁的上下两部分的面积相等，由此可确定中性轴的位置。

其中：l1、l2分别为中性轴上下两部分面积中心离中性轴的距离；A为梁的横截面面积；σd为材料屈服应力。

5）结构初始动能计算

由于冲击波峰值比较高，相对于结构的响应时间，冲击波持续时间非常短，近似可以认为炸药的冲击波能全部被结构吸收。假设冲击波为平面波，根据冲击波的能流密度表达式，可得到结构吸收的冲击波能，即冲击波作用后结构的初始动能：

其中：ks为结构吸收冲击波能量的系数。

将冲击波的能流密度表达式代入可以得结构吸收的冲击波能：

其中：KE，αE为相似率系数。

6）能量原理

根据能量原理得U1+U2+U3=Ek。将以上表达式和参数代入可以得到关于加筋板结构中心挠度的方程式，进行求解可以得到中心挠度w0，进而可以得到整个加筋板结构的变形场。

3 挠曲变形计算实例

以某板架结构试验模型为例，通过对其挠曲变形进行计算，阐明目标局部塑性变形抗毁伤能力的计算过程。计算中为了不失一般性，所采用的水下爆炸载荷是试验实际载荷，而不是结构抗毁伤设计载荷。

3.1 计算模型描述

如图2所示，板架总体尺寸为1000×1000×1.5（单位：mm），每个方向均布5根加强筋，加强筋采用T型材，面板尺寸为3×60（单位：mm），腹板尺寸为1.5×100（单位：mm），模型材料均采用Q235钢。

3.2 计算所需的输入参数

表1列出了水面舰艇局部变形抗毁伤能力评估方法的相关输入计算参数。

表1 计算输入参数

4 计算结果分析

应用模型试验的结果，将理论计算结果同模型试验结果进行比对分析，对毁伤等级进行判断，同时对理论算法的精确度进行分析。

4.1 模型试验

炸药在模型底部非接触爆炸，炸药TNT当量为110g，距试验模型中心距离为0.7m，模型爆炸后变形情况如图3。

爆炸载荷作用后试验测试得到板架中心挠度为10.95mm，为理论计算结果分析提供参考数值。

4.2 计算结果分析

应用舰艇局部变形抗毁伤能力评估方法预报该板架在药量为110g、爆距0.7m的爆炸载荷作用下的板架中心的残余挠度为11.8mm，爆炸试验测试得到板架中心挠度为10.95mm，计算误差为7.7%，在合理范围内。

由比对结果可知，理论计算值偏大，试验测量值偏小，这是由于试验采用小药量、远距离进行的原因。当小当量远距离爆炸时，炸药在水中传播存在一定的耗散，同时板架与水介质的相互作用也可能带来一定的能量损失，导致作用在板架上的能量有一定损失，导致实际测量结果比理论计算结果偏小。可对理论值进行一定的修正，预报出试验测量值的大致范围。

4.3 毁伤等级判定

非接触爆炸载荷作用下板架的塑性变形通常采用相对挠曲变形抗力Wˉ来表示，从计算过程可知，药量为110g、爆距0.7m的爆炸载荷作用下的板架中心的残余挠度为11.8mm，相对挠曲变形抗力为2.12，其等级为中等毁伤。该爆炸条件下壳板冲击因子为0.47，其毁伤等级也为中等毁伤等级。爆炸测量得到的相对挠曲变形抗力为2.28，也属中等毁伤范畴。

5 结语

1）根据水面结构局部毁伤类型，采用理论分析方法建立了水面目标挠曲变形理论计算模型。

2）选取典型水面目标结构，采用计算模型，对其在水下爆炸作用下的挠曲变形进行数值计算。

3）将数值计算结果同相关的试验结果进行比对，两者符合较好。

4）板架结构均匀分布，取消了纵、横骨架结构的影响，对计算应用带来一定局限性。

5）理论计算模型与试验测量结果存在一定误差，需对理论预报结果进行修正。

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国防工业出版社，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，硕士研究生，助理工程师，研究方向：水下爆炸。