基于TRIZ理论的舰船防护舱壁结构型式生成研究

2019-04-20肖肯李德聪戴文喜张弩吴国民贺双元

中国舰船研究 2019年2期

肖肯，李德聪，戴文喜，张弩，吴国民，贺双元

1海军驻大连船舶重工集团有限公司军事代表室，辽宁大连116005

2中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

0 引言

在战争中，舰船不可避免地遭受各种武器的攻击威胁，特别是高性能反舰导弹，其普遍采用半穿甲型战斗部［1］，可侵入船体内部爆炸，产生冲击波和大量的高速弹片等毁伤元［2］。因此，对于某些重要舱室，需要在其周围设置防护舱壁结构，以保证舱室结构主体及其中人员和设备的安全。提高舱壁结构的防护性能可通过增加钢板厚度、加大支撑构件尺寸来实现，但引起的重量增加将对舰船的使用性能产生较大的影响；此外，由于冲击波与弹片2种载荷对结构的作用方式及毁伤特点存在较大的差异，加大加厚构件的方法难以同时高效提升对冲击波和弹片2种毁伤载荷的防护能力，亟待改进［3］。国内外学者提出了各种舰船防护舱壁结构型式并开展了相应的研究，例如，美国在20世纪80年代提出了金属夹层结构［4-5］，段新峰等［6］研究了I型金属夹层板结构在冲击波和高速弹片联合作用下的毁伤响应；张成亮等［7-9］提出了由陶瓷、纤维增强复合材料芯层和金属面板组成的夹芯复合结构，并通过大量的模型试验研究了该类结构在冲击波和高速弹片联合毁伤作用下的防护机理。可以预测，随着科技的发展，将不断有新的舰船舱壁防护结构型式提出。

如何在重量资源消耗较小时，实现对2种毁伤元的同时防御是舰船防护舱壁结构设计的难题。本文基于发明问题解决理论（Terija Rezhenija Inzhenernyh Zadach，TRIZ），拟采用该理论中的冲突分析方法及其解决原理，结合冲击动力学知识，研究防护舱壁结构概念型式快速生成的有效方法。在此基础上，探讨舰船防护舱壁结构概念型式生成可采用的一般性原理，并对新型防护舱壁结构型式的技术发展方向进行预测，以期为舰船抗爆防护结构设计技术的发展提供一定的参考。

1 TRIZ解决技术问题的流程与方法

TRIZ是一种基于知识、面向人的发明问题解决系统化方法，由 Atshuller［10］于 1964 年最先提出。其通过研究大量的发明设计发现：1）类似的技术冲突或问题与其解决原理在不同的工业及科学领域交替出现；2）类似进化模式在不同的工业部门及不同的科学领域的技术系统中重复出现。也就是说，在某个工程领域遇到技术难题时，解决这些难题的方法是存在且可预见的，有一般性的原理与具体方法可以遵循。将TRIZ理论运用于产品概念设计，可快速提出有竞争力的概念方案，大幅提高设计效率。

采用TRIZ理论解决行业技术问题的一般流程见图1［11］。首先，将需要解决的特定技术问题转化为标准问题模型；然后，进行TRIZ匹配，找到该问题的原理解（TRIZ解）；再基于行业领域的专业知识把TRIZ解转换为行业领域解；最后，对解决方案进行评价，确定是否最终解决该技术问题。

图1 TRIZ理论解决技术问题的流程Fig.1 The process of solving technology problems by using TRIZ

TRIZ理论中可采用的工具主要包括分析工具和基于知识的解决工具2类。其中，分析工具用于定义、描述和模拟问题，提供了辨认和形式化问题的方法和计算机工具，包括：发明问题的解决算法（ARIZ）、物质—场分析、创新问卷调查表（ISQ）等。基于知识的解决工具来源于人类创新经验所获得的知识的积累、组织和构造，为使用者提供最高水平的问题解决工具，包括：40条发明原理、4条分离原理、76个标准解和效应数据库等［12］。

TRIZ理论认为，创新的核心在于解决技术问题中存在的冲突，该理论在对大量发明专利分析的基础上，提出了用39个通用工程参数（表1）来描述实际应用中的冲突。如果问题中的冲突可以用通用工程参数进行描述，则可以采用冲突解决原理（分离原理或发明原理）进行求解，是目前TRIZ理论中应用最普遍的工具。

产品设计中的冲突是普遍存在的，一般可分为物理冲突与技术冲突2类。物理冲突是指为实现某一功能，要求某一参数具有相反的特性；技术冲突是指为实现某一功能，一个参数的改善将引起另一参数的恶化。对于物理冲突，可通过4条分离原理来解决，分别为空间分离、时间分离、基于条件的分离、整体与部分的分离；对于技术冲突，可采用40条发明原理（表2）进行解决［13］。分离原理与发明原理间存在对应关系。

产品设计中，采用冲突解决原理的一般流程见图2，首先确定设计中的冲突，将冲突描述标准化，然后针对技术冲突或物理冲突，分别采用相应的冲突解决工具得到问题的通用解，最后结合专业学科知识或可类比的实例，确定具体解决方案。

2 舰船防护舱壁结构型式生成研究

2.1 问题背景和描述

假定导弹战斗部穿入船体内部爆炸，需在重要舱室周围设置防护舱壁结构，以保证此类舱室结构主体及其中人员和设备的安全性（图3）。

重要舱室的防护舱壁是防护功能实现的主体，主要受到冲击波与弹片的联合毁伤作用［14］。随着武器的不断发展及舰船对生命力要求的不断提高，对舱壁结构的防护能力提出了更高的要求，但防护舱壁结构必须在一定的重量限制下进行设计，如果防护舱壁重量过大，将对舰船的使用性能产生较大影响。因此，如何在重量资源消耗极少的条件下实现对武器爆炸冲击波和弹片的同时防御，达到预期的防护效果，是防护舱壁结构设计中的一个难题。

表1 通用工程参数Table 1 Universal engineering parameters

表2 发明原理汇总Table 2 Invention principles

图2 采用冲突解决原理的一般设计流程Fig.2 General design process by using the Solution of technical contradiction

图3 舱壁受冲击波与弹片联合作用示意图Fig.3 The bulkhead subjected to combined blast shockwave and fragments loading

其他行业存在的防护问题已有一些相对成熟的解决方案：

1）陆上工事主要采用高强混凝土结构为防护结构［15］，主要防御对象为穿甲弹，其特点是价格低，但单位重量的防护能力较低。由于重量大、材料适应性差等客观因素，该结构型式难以在舰船舱壁防护结构中应用。

2）个体防弹衣主要采用高性能纤维织物［16］，主要防御对象为子弹，其特点是柔性好、可塑性强、抗破片侵彻能力强。由于其结构强度、刚度弱，该结构型式无法在舰船防护舱壁结构中应用。

3）装甲车辆主要采用厚装甲及反应装甲防护结构［17］，主要防御对象为长杆弹或破甲弹产生的高速金属射流，而舰船舱壁结构的防御对象为冲击波和破片，两者的防御对象有较大差别，毁伤载荷作用差别也很大，故该结构型式难以直接应用。

虽然上述3类防护结构型式难以在舰船中直接应用，但可为舰船防护舱壁结构设计提供一定的借鉴与参考。

对新的防护舱壁的主要要求如下：

1）防护舱壁结构重量尽量轻；

2）可同时防御冲击波和破片，即兼备较好的抗冲击和抗侵彻性能；

3）最好能采用舰船现有的资源。

2.2 问题分析

2.2.1 功能模型及冲突区域确定

舰船重要舱室防护舱壁抗冲击波与破片联合作用问题（本问题）的功能模型见图4，描述了系统元件及其相互关系。本问题的核心元件是舰船重要舱室的防护舱壁结构，其功能是实现对内部重要舱室的有效隔离防护。如果武器威力小或者武器不能侵入船体内部发生爆炸，那么舱壁结构的防护问题不存在，就本问题而言，武器威胁属于超系统，难以改变；舱壁结构的防护性能主要表现为对冲击波及破片的防护能力不足，即舱壁结构的抗冲击性能和抗侵彻性能差，导致舱内人员及设备的安全性或可靠性差。因此，本问题的冲突区域为破片、冲击波与防护舱壁结构之间的作用区域。

图4 功能模型Fig.4 Function model

2.2.2 理想解与系统资源分析

本问题的理想解为：应用系统内资源，在不使系统复杂化和增加重量的条件下，隔离爆炸冲击波和破片对舱室的毁伤危害。

本问题的次理想解为：引入或应用系统内资源，使系统复杂化程度增加及重量增加均较小的条件下，实现对武器爆炸产生的冲击波和破片对舱室的毁伤危害的隔离防护。

防护舱壁结构型式构建可用的资源汇总参见表3。

表3 可用的系统资源列表Table 3 Resource involved in this system

2.3 问题解决

2.3.1 冲突的表述及发明原理的确定

主要采用了TRIZ理论中的冲突分析方法，以及技术冲突的解决原理——40条发明原理等技术工具。

在本问题中，希望改进的特性是舱壁的防护性能（包括抗冲击性能与抗侵彻性能），依据常规增大板及加强筋构件尺寸的方法，将导致结构重量大幅增加。因此提高结构防护性能与结构重量代价间存在冲突，按照TRIZ理论，一个参数的改善将引起另一参数的恶化，该冲突属于技术冲突。

参照表1所列的TRIZ通用工程参数，抗爆性能可以采用强度和可靠性这2个工程参数表征，结构重量可以采用静止物体的重量这一工程参数表征，因此，改善的参数为强度和可靠性，恶化的参数为静止物体的重量。

TRIZ理论在大量专利分析的基础上，将39个工程参数分别作为X轴和Y轴，形成了完整的技术冲突矩阵表［12］，X轴和Y轴交点处的数字表示可采用的发明原理编号，每个交点处最多包含4项发明原理。

根据文献［12］给出的冲突矩阵表，以强度和可靠性为改善的参数，以静止物体的重量为恶化的参数，可采用的发明原理包括：分割、局部质量、重量补偿、预操作、复制、廉价替代品、机械系统替代、复合材料，上述发明原理在表2中的序号分别为1，3，8，10，26，27，28和 40。对上述各发明原理的具体技术途径简述如下：

1）分割原理的技术途径：

（1）将一个物体分成相互独立、容易组装及拆卸的部分；

（2）增加物体各部分之间相互独立的程度。

2）局部质量原理的技术途径：

（1）将物体或环境中的均匀结构变成非均匀结构；

（2）由物体的不同组成部分完成不同的功能；

（3）物体各组成部分都最大程度发挥作用。

3）重量补偿原理的技术途径：

（1）用一个能产生提升力的物体补偿第1个物体的重量；

（2）通过与环境相互作用产生空气动力或液体动力的方法来补偿第1个物体的重量。

4）预操作原理的技术途径：

（1）在操作开始之前，使物体局部或全部产生所需的变化；

（2）预先对物体进行特殊安排，使其准备时间充裕或已处于易操作的位置。

5）复制原理的技术途径：

（1）用简单、低廉的复制品代替复杂或不易操作的物体或结构；

（2）用光学复制或者图像代替物体本身；

（3）如果已使用可见光拷贝，用红外线或紫外线替代。

6）廉价替代品原理的技术途径：用低成本、不耐用的物体代替昂贵、耐用的物体。

7）机械系统替代原理的技术途径：

（1）采用电场、磁场及电磁场完成与物体的相互作用；

（2）将固定场变为移动场，将静态场变为动态场，将随机场变为确定场。

8）复合材料原理的技术途径：将材质单一的材料改为复合材料。

2.3.2 发明原理的可用性分析

1）分割原理。

弹片的侵彻能力不仅取决于其自身特性（如质量、初始速度和形状）和靶板特性（如密度、硬度和抗拉强度等），还取决于弹目交会时弹体的状态（如速度和着角等）。如果防护舱壁为整体结构，弹片与结构仅一次接触，则弹片的侵彻能力仅取决于其初始状态，无法发挥空间资源的优势。若采用分割原理，将抗侵彻结构分成相互独立的部分并且各部分之间存在一定的距离，那么弹片穿过前面的结构时，其速度和着角均可能发生较大的改变［18］，再撞击后面的结构时，可降低其侵彻能力，因此分割原理可用于防护舱壁结构型式构建。

2）局部质量原理。

依据局部质量原理的第1条技术途径，当弹片垂直侵彻均匀靶板结构时，弹片的侵彻轨迹基本保持直线；而当弹片侵彻非均匀结构时，会诱发弹体的运动轨迹发生扰动、产生偏转，直接影响弹片的侵彻性能。美国一家研究机构针对中空管形、金字塔形、三角形及折边形等多种格栅结构进行了弹丸侵彻试验，结果表明可产生非直线型弹道［19］。此外，防护舱壁在不同厚度处承受的载荷存在较大差异，临近迎爆面处：冲击波强度最大，弹片速度大（一般大于1 500 m/s），弹靶均产生塑性流动，防护材料的韧性、硬度、抗压强度等参数起主要作用；临近背爆面处：冲击波强度弱，弹片速度小（从几百米每秒衰减到零），弹片变形小，防护材料的强度等参数起主要作用。因此防护舱壁宜采用非均匀结构，使不同部位都最大限度地发挥作用（第3条技术途径），来满足对不同载荷的防护需求。鉴于此，局部质量原理可用于防护舱壁结构型式构建。

3）重量补偿原理。

依据重量补偿原理，未找到可用于防护舱壁结构型式构建的具体技术途径。

4）预操作原理。

将舱壁结构分为几部分，不同部位按时间顺序分别与弹片及冲击波发生作用，最终实现对2种联合毁伤元的有效防护。结构先接触的部分可改变弹片的侵彻轨迹、消弱冲击波的强度，实现预操作的目的，削弱冲击波和破片对后续结构的毁伤程度，因此预操作原理可用于防护舱壁结构型式构建。

5）复制原理。

依据复制原理，未找到可用于防护舱壁结构型式构建的具体技术途径。

6）廉价替代品原理。

在防护舱壁结构型式构建时，可尽量将舱壁分成小块，易于更换；同时，对于毁伤严重的部位，可采用塑性变形能量强、价格便宜的材料。因此廉价替代品原理可用于选择防护舱壁结构型式构建。

7）机械系统替代原理。

对于长杆弹或高速金属射流的防护，有学者提出了电磁装甲防护结构的概念［20］，主要有2种方式：一种是通过电磁场力发射高能金属板迎击来袭目标致其破坏或偏转；另一种是通过电磁场加剧射流的不稳定性，使射流发散而降低其侵彻能力［21］。主要应用机械系统替代原理的第1条技术途径，但防御对象均是单一目标，与本问题的高速弹片群的多目标性存在较大差别。原则上可采用机械系统的替代原理对分散性多目标进行防护，但目前尚无经济的技术途径。

8）复合材料原理。

与钢质材料相比，纤维增强复合材料具有比模量和比强度高、单位面密度吸能多等特点，抗侵彻性能优良［22］。目前研究较多的高性能纤维主要有玻璃纤维、芳纶纤维、高强聚乙烯纤维、玄武岩纤维和碳纤维等［16］。在舱壁防护结构设计中引入高性能纤维增强复合材料，可实现在等重量的情况下提高结构的抗侵彻性能，因此复合材料原理可用于防护舱壁结构型式构建。

2.3.3 基于发明原理的防护舱壁结构型式构建

基于2.3.2小节所述的发明原理，结合冲击动力学和复合材料力学等专业领域知识，得到8种防护舱壁结构型式概念方案。

2.3.3.1 方案1

方案1为叠层钢质舱壁结构型式，由加强筋与接触式多层钢板组成，详见图5（a）所示。其技术原理是将冲击波与弹片联合作用下金属厚板的延性扩孔、剪切冲塞等耗能模式变为弯曲加薄膜拉伸、花瓣开裂等耗能模式，从而提高舱壁的防护性能。该方案应用的发明原理为分割。文献［23-24］已提出了该结构型式并重点对单个弹丸的抗侵彻特性开展了研究。

2.3.3.2 方案2

方案2为多层复合舱壁结构型式，由钢板与纤维增强复合材料板组成，根据复合材料板位置的不同，分为前置复合材料、后置复合材料及复合材料夹芯等型式，详见图5（b）所示。其技术原理如下：1）纤维增强复合材料单位面密度下吸能多，抗侵彻性能强；2）薄板在冲击波作用下可产生弯曲与薄膜拉伸相叠加的变形模式，可加大能量吸收，从而提高了舱壁的防护性能。该方案应用的发明原理为分割与复合材料。文献［7-9，25］已对该结构型式开展了初步研究，结果显示较钢质舱壁的抗弹片防护性能有一定的提高。

2.3.3.3 方案3

方案3为金属夹层舱壁结构型式，主要由前、后面板及金属夹芯层组成，夹芯层形状包括梯形、半圆形等，详见图5（c）所示。其技术原理如下：1）在冲击波的作用下，通过空间结构的塑性大变形吸能；2）利用结构的非均匀性，使弹片在侵彻过程中与防护结构发生多次碰撞，改变弹体侵彻轨迹，提高结构的抗侵彻性能。该方案应用的发明原理为分割与局部质量。文献［4-6］已对该结构型式开展了初步研究，结果显示较钢质舱壁其防护性能有一定的提高。

2.3.3.4 方案4

方案4为间隔式双层钢质加筋板舱壁结构型式，详见图5（d）所示。其技术原理如下：1）将厚板分割为双层间隔板，在一定工况下可提高其抗侵彻性能；2）双层板之间存在间隔，由于阻抗失配，当入射冲击波作用于第一层舱壁时发生反射，削弱了冲击波强度，从而减弱了对后层舱壁的作用，提高了结构的抗冲击性能。该方案应用的发明原理为分割。

2.3.3.5 方案5

方案5为间隔式双层复合舱壁结构型式，主要由加筋钢板与纤维增强复合材料板组成，两者间留有一定的间隙，详见图5（e）所示。其技术原理如下：1）纤维增强复合材料单位面密度下吸能多，抗侵彻性能强；2）双层舱壁之间存在间隙，由于阻抗失配，可使入射冲击波产生反射，减弱对后层结构的作用；3）薄钢板的弯曲加薄膜拉伸变形模式加大吸能。该方案应用的发明原理为分割与复合材料。文献［25］已提出了该结构型式，主要针对单个规则弹片的抗侵彻特性开展研究，对该结构型式的抗冲击性能目前尚未研究。

2.3.3.6 方案6

方案6也是间隔式双层复合舱壁结构型式，主要由加筋钢板与可活动式的纤维增强复合材料板组成，两者间留有一定的间隙，与方案5相比，将复合材料板分割为小板块，各板块之间弹性连接且可以以连接线为轴线转动，详见图5（f）所示。其技术原理如下：1）复合材料板具有较强的抗破片侵彻能力，可实现对来袭破片的隔离防护；2）在冲击波的作用下，复合材料板之间为弹性连接，可在一定程度上活动，当冲击波作用于块状复合材料板时，各板块可产生以连接线为轴线的转动，最终将大部分冲击波能量转化为板块的动能，起到了大幅减弱冲击波能量的作用，且小块更容易维修替换；3）复合材料板与钢质舱壁之间的空隙一方面可以为复合材料板在破片侵彻作用下的变形留有足够的空间，便于发挥复合材料板的抗侵彻功能，另一方面还可使冲击波在空隙处由于阻抗失配产生反射，减弱对内部钢质舱壁的毁伤；4）薄钢质舱壁通过弯曲加薄膜拉伸变形模式加大吸能，可进一步提高抗冲击性能。该方案应用的发明原理为分割、复合材料与廉价替代品。

2.3.3.7 方案7

方案7也是间隔式双层复合舱壁结构型式，由填充式金属夹芯结构、加强筋和纤维增强复合材料板组成。填充式金属夹芯结构位于外侧，其与纤维增强复合材料板间留有一定的间隙，详见图5（g）所示。其中，填充式金属夹芯结构由夹芯层、前面板、填充层和后面板组成。前、后面板及夹芯层的材料为钢，填充层材料为闭孔聚氨酯泡沫。其技术原理如下：1）填充式金属夹芯结构利用芯层的塑性变形及填充材料的压缩吸能，可有效衰减冲击波的强度，减小弹片的侵彻速度，改变其侵彻方向及降低对后续结构的侵彻能力；2）内层纤维增强复合材料板利用纤维破坏时的高效吸能，逐步降低弹片的侵彻能力，直至实现对破片的完全防御；3）内、外层之间的间隔，利用界面波阻抗失配引起的界面冲击波反射，可大大降低冲击波向内层结构的传递。该方案应用的发明原理为分割、局部质量、预操作与复合材料。

2.3.3.8 方案8

方案8为广义上的防护舱壁结构型式，由液舱、普通钢壁及间隙组成，详见图5（h）所示。其技术原理如下：1）利用水的阻力，当弹片作用于液舱时速度逐渐衰减，到达液舱后端时速度衰减至零；2）冲击波可在液体中传播；当冲击波到达水舱的后壁时，由于水舱后壁为空气间隙，受阻抗失配的影响，冲击波大部分被反射到液体中，剩余的部分经过空气间隙的衰减，作用到舱壁结构的压力很小。该方案应用的发明原理为分割、局部质量与廉价替代品。

图5 防护舱壁结构概念型式方案Fig.5 Concept configuration of hull protective bulkhead

3 不同结构型式概念方案总结与分析

3.1 不同结构型式概念方案总结

针对舰船防护舱壁结构型式，本文共列举了8种概念方案，包括前人给出的4种方案（方案1，2，3和5）以及本文提出的4种方案（方案4，6，7和8）。

8种概念方案大致分为2类，一类是广义的单层舱壁结构型式，包括方案1，2和3；一类是间隔式双层舱壁结构型式，包括方案4～8。

方案1，2和3的空间资源占用相对较小，结构型式相对简单，3种结构型式的抗侵彻性能或抗冲击性能较常规舱壁结构型式有一定的提高，通过开展进一步的研究，可应用于实际工程。

方案4，5结构型式简单，工程可实现性强，目前主要针对其抗弹片侵彻性能开展了研究工作，后续应对其抗冲击性能进行研究。

方案6，7采用了多种发明原理，对不同的防护机理进行了集成应用，实现了对弹片和冲击波2种毁伤载荷的同时防御，特点是占用空间小、对原船的布置影响小。其防护机理与目前研究的结构形式存在较大的差异，后续应对其抗侵彻、抗冲击机理进行研究。

方案8通过对现有资源的合理分配，实现了弹片和冲击波2种毁伤载荷的同时防御，特点是资源消耗少，重量代价小，成本不增加，但由于在原舱室周围需要布置液体水舱等，对原船液舱的布置改变较大，后续需进一步开展应用研究。

综上所述，方案6，7和8从原理上均能较好地提高防护舱壁结构的抗爆性能，且各有特点，是后续研究的重点。

各方案构建所采用的发明原理参见表4。从中可以看出，主要采用了分割、复合材料、局部质量、预操作和替代这5条发明原理，其中分割和复合材料原理使用较多。

表4 防护舱壁结构型式概念方案汇总Table 4 Summary of hull protective bulkhead design

3.2 舰船防护舱壁结构构建原理分析

利用TRIZ理论共得到8条发明原理，其中5条原理已在本文所述防护舱壁结构概念方案构建中得到应用。此外，文献中提及的结构概念型式也都满足上述发明原理，说明这些原理在舰船防护舱壁结构概念方案构建中具有一定的普适性。给结构概念设计提供了一种思路，即可基于分割、复合材料、局部质量、预操作和廉价替代品这5条发明原理进行结构概念方案构建，使得防护结构概念设计有一定的规则可循，大大提高了防护结构概念设计的效率。所需解决的问题转变为了如何科学、合理地应用这些原理提高结构的防护效能。

可以预见，新的防护舱壁结构型式的提出将会综合使用上述多种发明原理，实现资源的优化配置。