破片与冲击波对舰船板架的耦合毁伤效应试验研究

2019-03-14金湖庭杜志鹏

船舶力学 2019年2期

吴震，金湖庭，杜志鹏，李营

（1.浙江交通职业技术学院海运学院，杭州 311112；2.海军装备研究院，北京 100161）

0 引言

反舰导弹或炮弹爆炸会产生两种毁伤元：高速破片群和爆炸冲击波。早期学者通常针对战斗部爆炸的单一毁伤元（高速破片群或爆炸冲击波）开展结构毁伤的研究工作。Qian等[1-2]采用理论分析和数值仿真的方法，研究了钢靶在高速破片群作用下的变形和破坏。Nurick等[3-5]通过试验研究了固支方形薄板在冲击载荷作用下的变形和失效，并将方形薄板的失效分成三种模式：（1）塑性大变形；（2）支撑端的拉伸失效；（3）支撑端的剪切失效。

近年来，人们逐渐意识到破片与冲击波对结构的耦合毁伤效果远大于单独毁伤的简单叠加。Hu和Chen[6]采用物质点法（MPM）仿真模拟了破片与冲击波对混凝土墙的耦合毁伤效应。Leppanen[7]开展了破片与冲击波对混凝土板的耦合毁伤的试验研究，并在试验后的混凝土板上进行拉压小样试件采集，通过双轴拉压试验测定混凝土的材料属性。Nystrom和Gylltoft[8]分析了耦合毁伤产生的原因，并使用AUTODYN仿真模拟了混凝土板在耦合作用下的破坏过程。

姚志敏等[9]使用LS-DYNA仿真计算了刻槽靶板在破片与冲击波耦合作用下的响应，并进行了参数的灵敏度分析。Kong等[10]研究了复合多层防护结构在圆柱形战斗部爆炸载荷作用下的变形及破损。张成亮等[11]开展了破片与冲击波耦合作用下玻璃钢夹层结构的毁伤效应试验，分析了夹层结构的主要破坏模式。侯海量等[12]设计了陶瓷、纤维增强等复合装甲结构模型，开展了预制破片在炸药驱动下的毁伤试验，分析了各毁伤元所占的比例。近年来，杜志鹏，陈长海和赵玲清等人进一步开展了破片与冲击波对结构的耦合毁伤效应研究[13-15]。

本文为了更真实地模拟反舰导弹或炮弹产生的两种毁伤元，采用两种非标准圆柱形战斗部开展舰船板架的耦合毁伤效应试验，研究舰船板架在破片与冲击波耦合作用下的变形及破损，给出舰船板架在耦合载荷作用下主要的破坏模式和转换条件。

1 试验模型

1.1 战斗部模型

战斗部模型1和2的基本参数和示意图如表1和图1所示。战斗部模型1的高度为210 mm，壳体厚度为10 mm，采用预制破片壳体，预制破片是直径为3.5 mm的钨球，内部铸装TNT，密度为1 780 kg/m3。战斗部模型2的高度为450 mm，壳体厚度为20 mm，采用非预制破片壳体，内部铸装TNT，密度为1 880 kg/m3。

表1 两种战斗部模型的基本参数Tab.1 Basic parameters of two kinds of warheads

1.2 靶板模型

为得到不同类型靶板在破片与冲击波耦合作用下的破坏模式以及筋在耦合载荷作用下的破坏形式，本次试验采用光板和加筋板作为试验对象。

（1）光板

采用4 mm厚的Q345钢，钢板总体尺寸为1 000 mm×1 000 mm，四周边框宽为200 mm，抗爆有效面积为600 mm×600 mm，边框上共打了64个φ20 mm的螺旋孔，用于连接光板和支撑架，光板模型示意图如图2所示。

（2）加筋板

图1 两种战斗部模型Fig.1 Two kinds of warhead models

图2 光板模型Fig.2 Model of plane plate

图3 加筋板模型Fig.3 Model of stiffened plate

加筋板的基本尺寸与光板一致，只在靶板有效面积的背爆面加了两条竖向的筋，筋为80 mm×5 mm的扁钢，加筋板的模型示意图如图3所示。

1.3 支撑架模型

支撑架采用 100 mm×100 mm×10 mm的方钢制成，高度为2 000 mm，长为1 000 mm，面板夹具厚度为30 mm，背部采用45°的斜撑，其三视图如图4所示。

图4 支撑架模型Fig.4 Model of support frame

2 试验布置及工况设计

本次试验在开敞空间进行，将战斗部安放在弹托架上，通过电雷管引爆战斗部，战斗部竖向放置。因为在近距爆炸载荷作用下，边界对靶板的破坏模式影响较大，为达到固支边界的要求，防止靶板在面内发生侧向移动，通过四周64个φ18 mm的螺栓将靶板固定在支撑架上。战斗部中心与靶板中心位于同一高度处，试验布置如图5所示，通过调整战斗部和靶板的类型以及爆距（战斗部与靶板之间的距离）来改变试验工况，试验工况见表2。比例距离指的是装药量与爆距之间的关系式

式中：r为爆距（m），W 为装药量（kg）。

表2 试验工况Tab.2 Experimental cases

图5 试验布置Fig.5 Arrangement of tests

3 试验结果及分析

3.1 破片穿孔数及面积

表3统计出靶板在不同比例距离下的破片穿孔数及面积。因为难以确定靶板中间大破口的破片击中个数和穿孔面积，所以表中仅给出了除中间大破口的破片穿孔数及面积。从表中可以看出，工况2破片穿孔数最多，共57个，面积为23 854.32 mm2，主要原因是战斗部模型1预制破片数量多且尺寸小。工况6比例距离与工况2相近，但破片穿孔数为工况2的0.51倍，面积为工况2的3.79倍，主要是因为战斗部模型2随机破片数量多且尺寸大。

表3 破片穿孔数及面积Tab.3 The perforated holes and areas of fragments

3.2 光板的破坏

3.2.1 迎爆面的破坏

光板试件迎爆面的破坏情况如图6所示。从图6（a）中可以看出，试件1在破片与冲击波耦合作用下产生了大破口，破口半径为287 mm。破口的周边存在少量破片侵彻过后的弹孔，弹孔直径较小，约5～8 mm。在固支边界的右侧和下侧形成了明显的塑性铰线，上侧出现了剪切撕裂现象。靶板在破片与冲击波耦合作用下局部效应显著。试件3在破片与冲击波耦合作用下破口的半径为178 mm，弹孔较大，但比较稀疏，固支边界的下侧发生了局部的微小屈曲，如图6（b）所示。试件3与试件1类似，在边界处形成了较为明显的塑性绞线。试件4整体变形较大，弹孔1和弹孔2在冲击波作用下发生了连接，形成了一个长条形破口，加剧了毁伤，如图6（c）所示。由于试件5的比例距离较大，冲击波在自由场中衰减很快，因而，试件5并没有出现明显的耦合破坏现象，只在靶板的有效面积内留下了一些大小形状各异的弹孔，整体变形较小，如图6（d）所示。

图6 光板迎爆面的毁伤情况Fig.6 Damage of front plane plates

3.2.2 背爆面的破坏

光板试件背爆面的破坏情况如图7所示。从图7（a）中可以看出，在破片与冲击波耦合作用下，试件1出现了典型的花瓣弯曲破坏模式，裂瓣产生不同程度的弯曲、翻转变形，左侧裂瓣的翻转角超过了90°，且在花瓣上形成了二次裂纹。花瓣边缘有弹孔的痕迹，说明弹孔在冲击波作用下极易发生连接并形成花瓣大开口。靶板在破片与冲击波耦合载荷作用下还形成了一块直径约为124 mm的二次破片，如图8所示。该破片质量大、速度高，对舰船结构或舰用设备的毁伤效果强，所以在舰船抗爆设计中应予以考虑。从图7（b）中可以看出，试件3在破片与冲击波耦合作用下出现了典型的拉伸断裂破坏模式，破口的边缘变薄，说明在形成破口前，靶板的中心区域产生了严重的拉伸撕裂。试件4的破坏模式与试件3一样，如图7（c）所示，只是形成破口的形状和大小有差异。值得注意的是，试件5并没有出现破片与冲击波耦合作用下的破坏，靶板的整体微小变形主要是因为大质量破片将本身的动能传递给靶板造成的。

图7 光板背爆面的毁伤情况Fig.7 Damage of back plane plates

3.3 加筋板的破坏

3.3.1 板的破坏

图8 靶板的二次破片Fig.8 Second fragment of target plate

图9 板的毁伤情况Fig.9 Damage of plates

加筋板试件的破坏情况如图9所示。从图9（a）中可以看出，筋较强，限制了板的变形，板格以筋作为固定边界发生了破坏。弹孔密集，但开孔较小。试件6的破坏情况如图9（b）所示，固支边界发生了屈曲，靶板出现了筒形弯曲现象，整体变形较大。试件7几乎无整体变形，弹孔分布稀疏，但开孔较大，如图9（c）所示。

3.3.2 筋的破坏

筋在破片与冲击波耦合作用下主要出现了一定程度的侧倾、弯曲和鼓起变形，如图10所示。当受到的冲击波载荷较弱时，筋发生了一定程度的侧倾和弯曲，如图10（a）和图10（c）所示。当受到的冲击波载荷较强时，板存在着沿筋撕裂的倾向，筋也随着板发生了一定程度的鼓起变形，板与筋出现了相互制约作用，但筋并没有断裂，如图10（b）所示。

图10 筋的毁伤情况Fig.10 Damage of ribs

3.4 光板与加筋板的对比

光板与加筋板的对比如图11所示。试件3在破片与冲击波耦合载荷作用下产生的破口半径为178 mm；试件6由于筋的支撑作用，极大地限制了板的整体变形和裂纹的贯穿连接，板并未出现明显的破口。因而，加筋板的抗爆能力远高于光板，这可为舰船结构抗爆优化设计提供一定的参考。

3.5 舰船板架的破坏模式

根据试验结果，发现光板在破片与冲击波耦合作用下的主要破坏模式有两种：花瓣弯曲破坏和拉伸断裂破坏。针对本文试验模型，当比例距离小于0.3时，光板出现了典型的花瓣弯曲破坏；比例距离处于0.3～0.6之间时，光板出现了典型的拉伸断裂破坏；比例距离大于0.6时，破片与冲击波耦合作用不明显，光板并没有出现耦合破坏。因为本次试验的加筋板的筋较强，导致加筋板并没有出现明显的大破口破坏；筋出现了一定程度的侧倾、弯曲和鼓起变形，但并没有断裂。