水下爆炸载荷下水面舰艇双层结构的毁伤与防护研究进展
2022-07-12孙远翔陈岩武
孙远翔, 陈岩武
水下爆炸载荷下水面舰艇双层结构的毁伤与防护研究进展
孙远翔, 陈岩武
(北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室, 北京 100081)
研究水面舰艇双层结构在水下爆炸载荷下的毁伤与防护可以为其防护能力的提高和新型武器的设计提供支撑。从实验研究、理论研究以及数值仿真3 个方面综述了该领域国内外研究进展; 总结了双层板间介质、板间支撑结构、板间距和板厚等参数对毁伤与防护效果的影响; 梳理冲击波透射、能量吸收等主要的双层板毁伤理论研究成果; 最后对其未来研究方向进行了展望。
水下爆炸; 水面舰艇; 双层结构; 毁伤; 防护
0 引言
舰船在现代海战中易受到敌方鱼雷、水雷等反舰武器水下爆炸载荷的威胁。水下爆炸载荷包括初始冲击波、气泡脉动、爆炸破片、金属射流、爆轰产物及海水涌入等[1-3]。其中, 初始冲击波压力峰值大, 作用时间短, 对舰船易造成局部破坏;气泡脉动压力持续时间长, 易形成舰船的鞭状震荡响应[4], 造成舰船本身的整体毁伤及低频安装设备的破坏; 此外在近场爆炸时, 爆炸破片、金属射流、气泡塌缩射流等集中载荷易产生非常高的局部压力, 造成船体的局部严重毁伤[5-6]。由此, 水中兵器爆炸载荷会对舰船生命力造成严重威胁, 舰船需具备更强的抗爆、抗冲击性能[7]。因此在条件允许的情况下, 水面舰船往往会在舷侧和底部采用双层防护结构, 以空间换防御[8-9]。不同于单层结构, 舰船双层结构由内板、外板、板间介质和板间支撑结构组成, 其抗冲击性能由结构的各个参数决定, 如内外板间距、厚度、板间介质载况以及板间支撑结构形式等[10-12], 这些都给试验研究、理论分析和数值仿真带来了巨大的挑战。
鉴于此, 文中将从试验研究、理论研究、数值仿真研究3 个方面系统综述国内外学者对水面舰艇双层结构在水下爆炸载荷下毁伤与防护的研究进展, 总结研究成果, 对该领域未来的研究方向提出建议。
1 实验研究现状
水下爆炸载荷下舰船的动态响应属于大变形、强非线性问题, 涉及流固耦合问题, 只有现场试验能够真实反应出舰船结构在爆炸载荷下的响应特征。现阶段的研究主要是进行小规模的模型试验, 研究双层板间介质、板间支撑结构、板厚度和板间距等参数对双层板动态响应的影响。
1.1 双层板间介质对动态响应的影响
舰船双层板间介质主要为海水和空气, 根据压载的需要, 板间舱室有空舱、半舱和满舱的情况,如图1 所示。可以看出, 双层板外板的迎爆面为水介质, 而背爆面处介质由舱室载况决定, 可以为水介质或空气介质。背爆面处介质影响了外板在水下爆炸载荷下的响应特征, 根据背爆面处介质的不同, 可以将外板分为背空板(图1(a)、(d))和背水板(图1(b)、(c)、(e)、(f))。
图1 双层底和双层舷侧结构舱室载况示意图Fig. 1 Schematic of loading condition of double bottom and double side structure cabins
1.1.1 中远场爆炸
中远场爆炸条件下, 冲击波作为主要的载荷形式之一, 对舰船结构的毁伤都发挥着重要的作用。国内外学者[13-15]研究了冲击波载荷下, 不同板间介质对内、外板的毁伤效果。
关于外板的毁伤特征, Huang 等[13]使用高速弹丸模拟远场水下爆炸载荷, 发现在冲击载荷相同的情况下, 背水板比背空板的最大永久横向挠度降低53%。Srinivas 等[14]进一步研究了爆炸载荷下不同载况的舰船舷侧结构的变形特征, 发现相对于空舱情况下, 半舱外板的最大永久(塑性)横向挠度降低22.5%, 而满舱外板降低63%, 这是因为水作为不可压缩介质, 增加了板变形时的阻力。Hawass 等[15]使用水下激波管模拟远场水下爆炸载荷, 发现板间使用夹芯橡胶和泡沫可以使外板具有更高的水下冲击波抑制能力。
关于内板的毁伤特征, 张振华等[16]制作了图1(b)、(c)所示的舰船双层底液舱模型, 实验研究了该模型在不同载况时的响应特征, 发现冲击波载荷作用在半载液舱时, 形成的飞溅载荷会对内底板有较小的冲击作用; 而作用在满载液舱时, 透射压力波会引起内板较高的动态应变。该实验还发现外板处于塑性范围时, 较弹性范围时的透射系数(透射系数即透射冲击波压力峰值与入射冲击波压力峰值的比值)更大。Schiffer 等[17]设计了由双层板和板间水组成的一维双层结构, 使用激波管模拟远场水下爆炸载荷, 发现外层板采用夹层结构可以显著减小内板受到的冲击。
1.1.2 近场和接触爆炸
近场和接触爆炸发生后, 冲击波载荷和气泡脉动载荷同时存在, 对双层板结构的毁伤及破坏机理十分复杂。舰船外板出现破口后, 爆炸产生的破片、高速金属射流和爆轰产物作用于内板。另外, 海水迅速从外板破口进入舱室, 出现“涌流效应”, 对船体内部造成冲击[18-19]; 部分气泡通过破口进入双层板间的舱室, 使气泡在破口处被分割成内气泡和外气泡, 出现“腔吸效应”, 气泡的脉动特性发生变化, 动态响应更加复杂[20], 如图2 所示。
许多学者[21-24]研究了双层板间介质对上述载荷毁伤效果的影响。徐定海和Zhang 等[21-22]制作了空舱-液舱-空舱形式的多层隔舱模型, 在外层板中心进行了3 种药量的接触爆炸试验, 发现空舱对爆轰产物有很强的吸纳作用, 但对高速金属射流的防护能力较差, 而液舱可以起到阻滞高速金属射流的作用, 当装药量较大时, 爆轰产物在舱室内的膨胀作用使空舱内板出现比外板更大的破口。朱锡等[23]开展了3 种模型试验, 研究了高速破片和涌流效应的毁伤效果, 证实水下舷侧100 mm宽的水舱可有效吸收外板破裂时产生的大量高速碎片, 进而减小其对液舱内板的破坏作用; 另外,大量的海水高速涌入舱室, 产生的冲击压力会加剧液舱内板的塑性变形以致破裂。Chen 等[25]试验研究了气泡与双层带破口底板的相互作用, 发现相对于带破口的单层板, 双层板在一定程度上减弱了“腔吸效应”, 延缓了“外气泡”射流的产生,使内板受到的气泡载荷减弱, 并定量给出了“涌入气泡”载荷峰值p1和二次收缩坍塌载荷峰值p2的经验公式, 即
图2 破口处的涌流效应和腔吸效应示意图Fig. 2 Schematic of water flooding and cavity-attraction near the crevasse
式中:γ为无量纲爆距; 为爆距与气泡最大半径的比值;Φ为破口直径与气泡最大半径的比值。但此研究仅涉及双层底板满舱的情况, 未探究不同板间水位对气泡脉动特征和内板动态响应的影响。
综上, 如图3 所示, 双层防护的液舱可以阻滞高速金属射流和爆炸破片(尤其是近场爆炸情况),但对冲击波、气泡射流载荷的抵御能力较弱。双层防护的空舱可有效缓冲爆轰产物的冲击压力,但对高速金属射流和爆炸破片的防护能力较差。
图3 双层防护空舱和液舱受到的水下爆炸载荷示意图Fig. 3 Schematic of the underwater explosion loads on double-protected empty tank and liquid tank
1.2 双层板间支撑结构对动态响应的影响
为提高船体结构的抗冲击性能, 舰船双层板间往往采用不同形式的支撑结构, 主要包括I 型、X 型和Y 型, 如图4 所示。在实验研究方面, 学者主要针对I 型支撑结构, 研究了其在近场和接触爆炸载荷下的动态响应问题。
图4 双层板间的3 种防护结构示意图Fig. 4 Schematic diagram of three protective structures between double layer plates
杨棣等[26-27]设计了舰船双层底缩比实验模型,总结了带有支撑结构的双层板在水下爆炸载荷作用下的毁伤模式。近场爆炸载荷作用下双层底以整体塑性大变形为主, 如图5[27](a)和(b)所示; 接触爆炸载荷下双层底毁伤模式以整体形成塑性大变形及破口为主, 如图5(d)所示; 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, 如图5(c)所示。以上3 种情况均会伴随肋板、纵桁等构件的动力屈曲损伤。图5 中冲击因子定义为, 其中W为炸药TNT 当量,R为爆距。
陈娟等[28]对船底双层板架结构进行现场试验, 研究了该结构在近场水下爆炸载荷下的毁伤模式, 如图6[28]所示。发现双层底会出现3 种破坏毁伤模式: 气泡脉动及滞后流造成的外板、内底发生整体塑性大变形, 如图6(a)所示; 由冲击波造成的局部破损, 如图6(b)所示, 外板、肋板局部板格出现剪切或拉伸断裂破坏; 肋板、龙骨出现塑性变形, 同时伴随动力屈曲2 种相互耦合的毁伤模式, 而内底结构未出现破口和动力屈曲, 如图6(c)所示。
图5 带有支撑结构的双层底水下爆炸载荷下毁伤模式Fig. 5 Damage modes of double bottom with support structure under underwater explosion loads
综上所述, 双层结构中的支撑结构可以作为吸能结构, 有效减少爆炸冲击波对舰船内部设备的破坏, 也可以降低双层结构的整体变形。但支撑结构的边缘处易出现应力集中, 导致初始裂缝形成, 进而扩散为更大的破口。Li 等[29]经试验研究发现, 加强结构的存在虽然限制了板整体变形, 但是降低了板的临界破坏载荷; 焦立启等[30]发现, 调节加强结构与板的相对刚度, 结构在冲击载荷下的毁伤模式可从剪切撕裂到塑性大变形转变。因此, 有必要从刚度匹配的角度对双层板间支撑结构进行优化设计, 最大限度地发挥其抗冲击性能。
1.3 其他参数对双层板动态响应的影响
从前文的叙述可以看出, 双层板间液舱载况的不同、支撑结构的使用、炸药爆距的变化都影响了内外板的毁伤效果。而其他参数如板的厚度、内外板间距(舱室宽度)、药包位置等也会影响到双层结构在爆炸载荷下的毁伤效果。
Wu 等[31]考虑了爆距、壳体厚度和舱室宽度的影响, 试验研究了双层含水圆柱壳结构在近场和接触爆炸载荷下的3 种毁伤模式, 发现在相同爆炸载荷下, 舱室较宽的双层结构通常在内壳和外壳上具有较小且集中的局部变形区域, 如图7[31]所示。可以看出, 图7(a)为毁伤模式Ia, 其中外壳出现局部塑性变形, 整体变形较小, 内壳变形较小,无整体变形; 图 7(b)为毁伤模式Ib, 其中内壳和外壳出现局部塑性变形, 整体变形较小; 图7(c)为毁伤模式II, 其中外壳出现局部塑性变形, 整体变形小, 内壳截面呈球形或蝶形变形, 整体变形大; 图7(c)为毁伤模式II, 其中外壳出现局部塑性变形, 整体变形小, 内壳截面呈球形或蝶形变形, 整体变形大; 图7(d)为毁伤模式III，其中外壳出现局部开裂，内、外壳局部和整体塑性变形均较大。
图7 双层含水圆柱壳结构在近场和接触爆炸载荷下的变形模式Fig. 7 Deformation modes of double layer water-bearing cylindrical shells under near-field and contact explosion loads
图6 近场水下爆炸载荷双层底结构3 种毁伤模式Fig. 6 Three damage modes of double bottom structures under near-field underwater explosion loads
苏标等[32]研究了不同爆距下双层加筋板架结构的毁伤模式, 发现随着爆距的减小, 板架毁伤模式由外板与加强筋连接处的剪切撕裂转向加强筋之间的外板板格内发生多个或单一花瓣形破口。张伦平等[9]研究了接触爆炸时药包位置、是否有隔板、板厚、药量对双层板结构攻击与防御效果的影响。攻击方面, 发现将药包放置在板格中心处,相对于放置在板格交叉点处, 结构吸能(塑性变形吸能和破坏吸能之和)增加2～3 倍, 能实现更大的毁伤效果, 而药量越大, 外板破损越严重, 如图8[9]所示。防御方面, 在膨胀舱内加入隔板可增强结构的吸能效果, 而板厚的增加会使板的挠度减小,进而导致结构吸能减少。
图8 接触爆炸载荷下不同药量导致的外板毁伤Fig. 8 Outer plate damage caused by different charge of contact explosive loads
综上所述, 双层板间的液舱宽度(即板间距)增加可以增强吸能效果, 使内外板获得更好的保护。板厚的增加使板壳的局部塑性变形减小, 进而导致结构吸能的减小。对于接触爆炸, 若将药包放置在板格中心处, 避开支撑结构, 可以实现更大的毁伤效果。上述研究获得的毁伤结果为冲击波和气泡载荷造成的总体效应, 较少对冲击波和气泡载荷分开研究。实际上, 气泡载荷的毁伤效应较冲击波复杂, 只有当气泡形成指向结构物的射流时, 气泡载荷对结构的局部毁伤能力才能达到最大, 而气泡射流的形成会受到药量、爆距、水深等因素的影响。因此, 建立爆炸气泡形成射流的条件, 对充分发挥气泡载荷的毁伤威力具有重要意义。
1.4 小结
通过以上分析可知, 学者们研究了双层板间介质和双层板间支撑结构等参数对水下爆炸载荷下双层板毁伤与防护效果的影响, 可以总结出以下结论:
1) 双层防护的液舱可以阻滞高速金属射流和爆炸破片, 但对冲击波的抵御能力较弱;
2) 双层防护的空舱可有效缓冲爆轰产物的冲击压力, 但对高速金属射流和爆炸破片的防护能力较差;
3) 双层结构中的支撑结构可以作为吸能结构,能有效减少爆炸冲击波对舰船内部设备的破坏,也可以降低双层结构的整体变形;
4) 双层结构中支撑结构的边缘处易出现应力集中, 导致初始裂缝形成, 进而扩散形成更大的破口;
5) 双层板间的液舱宽度(即板间距)增加, 可以增强吸能效果, 使内外板获得更好的保护。
2 理论研究现状
理论研究的方法物理意义明确, 便于研究人员了解物理现象的本质, 但需要对物理模型进行适当的简化。研究舰船双层板结构在水下爆炸载荷下的动态响应, 明确平板与冲击载荷的相互作用关系十分重要。由于结构中的波动效应和结构动力响应在时间尺度上不在同一个量级, 所以这两类问题通常被分开研究。根据研究侧重点的不同,主要包括冲量透射理论和能量吸收理论, 前者侧重研究冲击波的传递机理, 后者侧重研究结构的动力响应。
2.1 冲量透射理论
Cole[33]和Zamyshlyayev[34]在各自的专著中均给出了水下爆炸冲击波载荷在自由场传播的经验公式, 许多学者仍沿用这些公式。当水下爆炸冲击波在双层结构中传播时, 由于水介质和平板的阻抗不同, 冲击波在界面处会发生复杂的反射和透射现象, 并且其强度在介质中逐渐衰减, 双层板结构的内板受到的冲击波载荷为透射载荷, 较自由场载荷有较大差异。图9 给出了冲击波在双层板间的反射和透射示意图。
图9 冲击波在双层板间的反射和透射示意图Fig. 9 Schematic of shock wave reflection and transmission between double layer plates
2.1.1 中远场爆炸
当爆距大于2 倍气泡最大半径时可视为中远场爆炸, 此时炸药在舰船附近产生的冲击波压力峰值较低, 可以使用弹性波理论分析冲击波反射和透射问题。Taylor[35]最早研究了无限水域中无限大的自由刚性对弱冲击波的透射与反射特性,给出了平板获得的冲量与入射冲量的关系。李玉节等[36]将此关系推广到背水板的情况。Liu 等[37]将上面二者的研究进行对比, 发现在输入载荷和平板质量都相同的情况下, 冲击波更难穿透背空板, 背空板获得的冲量较背水板大。上述研究局限于自由刚性板, 未考虑板的声学阻抗。盖京波[38]考虑了板的波阻抗, 使用弹性波理论分析了弱冲击波在固支多层板中的传播问题, 得到了初始透射冲击波强度与初始入射冲击波强度的计算方式。Chen 等[39]考虑冲击波的指数衰减特征, 推导了背水板对冲击波的反射与透射关系。李世铭[40]研究了带有简单支撑结构的固支双层板, 指出支撑结构作为应力波的传播介质, 很大程度上增强了冲击载荷的透射效应。Chen 等[41]引入广义阻抗的概念, 并考虑空化效应, 提出了应力波在双层板架中传递的力学模型。
2.1.2 近场和接触爆炸
当爆距小于2 倍气泡最大半径时可视为近场或接触爆炸, 此时水和平板的物理参数变化剧烈,与冲击载荷相互作用过程中具有强烈的非线性效应, 必须考虑介质的可压缩性和冲击波阵面的强间断效应研究冲击波的传播机制[42]。Ghoshal 等[43]考虑水的可压缩性, 针对水下近场爆炸冲击波与自由刚性板作用后的载荷传递问题, 研究了冲量传递比随结构参数的变化关系。罗泽立等[42]同时考虑水和平板的可压缩性, 使用材料的冲击绝热方程, 研究了强冲击波与平板的相互作用问题, 给出了冲击波反射系数与入射冲击波超压的关系。盖京波[38]使用冲击绝热方程给出了强冲击波在多层防护结构传播时的透射公式, 并考虑了冲击波的衰减效应。
学者在理论研究冲击波与应力波的传递问题时多针对舰船结构进行简化处理, 如简单平板结构、带有加强筋或板间支撑结构的板架结构, 研究成果难以精确预测实际冲击环境中复杂板架结构的动力响应。实际上, 舰船结构在水下爆炸作用下的冲击响应是个强非线性过程, 引起船体结构、设备振动主要源自弯曲波、纵波等应力波的频散传递、波形模态转换以及能量耗散。因此, 需加强对应力波在实船中的传递与转换效应的研究。
2.2 能量吸收理论
水下兵器爆炸后产生的冲击波携带巨大的能量, 舰船双层结构中的外板和中间支撑结构可以作为吸能材料, 通过塑性变形或破坏的形式吸收爆炸能量, 以减少传递到内板的冲击波载荷[44]。
2.2.1 塑性变形吸能
Rajendran 等[45]考虑钢塑性薄板在大变形下的膜力拉伸, 忽略塑性弯曲变形能, 推导了应变能与挠度的关系。吴有生等[46]将板架结构处理成四边固支的理想刚塑性材料, 且受到均布冲击波载荷作用, 综合考虑板架的弯曲变形能、中面应变势能和梁的变形能, 给出了板架总的塑性变形能与挠度关系的理论公式。唐献述等[47]将平板处理成弹性-线性硬化塑性材料, 得到平板最大变形量与塑性应变能的关系, 并给出平板塑性变形区的计算公式。朱锡等[48]将板架考虑成正交的骨架梁系来计算塑性变形能, 给出了计算板架变形能的理论公式, 包括边界塑性铰弯曲变形能、板架区域内的弯曲变形能和板架区域伸长变形能。方斌等[49]在朱锡[48]的研究基础上考虑板格的局部变形能,给出了理论计算公式, 并假设板架与板格的挠度比为常数, 确定了整体变形与局部变形的能量分配机制。牟金磊等[50]根据加强筋的强弱, 给出了3 种变形模式下的加筋板塑性变形能。朱锡等[51]综合比较了3 种不同形式双层结构的防护性能, 即中间支撑结构分别采用普通骨架结构, 圆筒结构和六角形蜂窝结构, 如图10[51]所示。计算表明,在总质量相同的情况下, 圆筒支撑结构的比吸能(单位质量支撑结构吸收的能量)最大。
图10 双层板间的3 种防护结构示意图Fig. 10 Schematic diagram of three protective structures between double layer plates
2.2.2 破坏吸能
Wierzbicki[52]采用能量原理研究了接触爆炸作用下薄板的撕裂和花瓣旋转过程, 给出了花瓣弯曲能、花瓣断裂能的表达式, 但该研究未考虑花瓣开裂前的冲塞和凹陷吸能和花瓣的动能。张振华等[53]考虑了花瓣开裂之前薄板吸收的能量, 包括环向拉伸变形能、环向弯曲变形能、径向弯曲变形能和冲塞临界能, 并分别给出了理论表达式。吴有生等[46]认为当板架获得的动能大于板架破坏所需的应变能时, 板架出现破口, 并给出了板架破坏的能量判别准则。陈卫东等[54]指出, 外板花瓣开裂翻转的破坏所吸收的能量较少, 而结构的塑性变形能和液舱(双层板间有水)缓冲高速破片吸收的能量占据主要部分。
2.3 其他相关理论
反舰战斗部中的预制破片和爆炸产生的小质量二次破片利用其动能对舰船造成严重的局部毁伤[21]。舰船双层结构中的液舱能够缓冲高速破片和金属射流, 使其没有足够的能量穿透液舱后的内板, 起到保护内板的作用[54-55]。
关于破片在水舱内的速度衰减过程, Stepka 等[56]首次引入阻力系数的概念来描述弹体在侵彻液体时的速度衰减现象, 利用此系数可以建立破片运动微分方程, 得到破片运动速度、位移、时间三者之间的关系。之后, 许多学者认为阻力系数并非恒定, 如时间[57]、雷诺数[58]、空泡数[59]、破片形状[60]等都是影响因素, 并给出了相关的计算公式。
此外, 张阿漫等[61]发现, 液舱在冲击载荷作用下会发生晃荡现象, 导致部分冲击能量被液体阻尼耗散, 减弱对内板的毁伤作用, 发现液舱内容量为80%时防护作用最佳, 且随着冲击因子的增加,液体晃荡能量占比逐渐增加。杜志鹏等[62]利用动量守恒原理推导了背水板在接近爆炸下的速度响应计算公式, 发现板的运动引起了背后水介质的扰动, 从而分担了爆炸载荷, 且受扰动的水层厚度越大背水板的抗爆能力越强。
2.4 小结
通过以上对理论研究现状的综述可知, 学者们通过对冲击载荷与双层板结构相互作用的理论研究, 不仅实现了冲击载荷透射后的冲量、超压计算,也明确了外板变形、破环吸能的力学机理。可以总结出以下结论:
1) 外板通过反射冲击波、变形破环吸能, 减小了传递到内板上的载荷, 有效保护内板;
2) 支撑结构的使用降低了双层板结构的隔冲效果, 但合理的支撑形式会增强吸能效果;
3) 背空板比背水板的隔冲效果更好, 但背水板可以更好地吸收高速破片和金属射流;
4) 液舱可以将高速弹片、金属射流产生的集中载荷转变成均布载荷, 有效保护内板。
3 数值仿真研究现状
相比于理论分析和试验研究, 数值仿真成本低、可调节性强, 可对复杂结构进行建模, 且便于观察船体毁伤的动态过程。
3.1 数值仿真算法及仿真软件应用
水下爆炸领域主要的商业计算软件如LSDYNA、ABAQUS 和MSC.DYTRAN, 相对于数值仿真算法, 数值仿真软件更便于对复杂结构进行建模, 更适合工程计算。
典型的水下爆炸数值仿真算法主要有: 任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE)算法、无网格光滑粒子(smoothed particle hydrodynamics, SPH)算法、双渐进(doubly asymptotic approximation, DAA)法等, 3 种方法各有优劣。
ALE 算法将结构和流体区分, 在两者的界面上进行耦合。该方法集中Lagrange-Euler 算法的优势, 将Lagrange 算法的思想应用于结构的边界上, 可以对其运动进行跟踪处理; 在内部的网格划分上, 该方法在继承Euler 算法优势的基础上, 又对其做出相应的改进, 将物质实体与网格单元独立处理, 但网格的位置可以在计算时进行调整, 所以网格不会存在严重畸变现象。该算法集成于各种大型商业软件, 可以用于模拟水下爆炸冲击波的传播、气泡的脉动和结构的动态响应过程[63]。
SPH 算法将流场和结构离散成携带物质属性的粒子, 通过支持域内粒子的近似, 使粒子按照守恒定律运动。相对于有限元法和有限差分等传统算法, 该方法在处理高应变率、网格畸变、网格滑移和多相物质交界面等极端问题时优势明显, 具有较好的适用性。目前, LS-DYNA 和AUTODYN等商业软件均集成了SPH 算法, 可进行水下爆炸冲击波和气泡脉动载荷的计算。但使用该方法对三维冲击问题和非连续问题进行处理时存在计算效率低的缺陷[64]。
DAA 法分别采用平面波假设和势流假设对水下爆炸问题的前期和后期响应进行近似, 中间频段采用线性过度[65]。2 阶双渐近法(DAA2)通过加入模态频率矩阵使中频段的计算精度得以提高,并考虑了结构曲率的影响。该方法占用计算机资源少、求解快、精度高, 特别适合远场水下爆炸的计算。但由于DAA 方程的推导是基于无限域三维波动方程, 因此, 对于双层板结构间的内流场问题不再适用。
3.2 双层结构间内流场处理方式
双层结构间的内部流体区域称为内流场, 与外流场不同, 内流场在水下爆炸载荷作用下会产生低频膨胀运动, Geers 等[66]将DAA 法推广到内流场的计算。肖巍等[67]在其工作的基础上, 采用外域DAA 法和内域DAA 法, 并开发ABAQUS 用户子程序, 与DAA 法进行对接, 实现了对具有内域的双层加筋圆柱壳动响应的仿真。Liu 等[68]用自行开发的空化水锤声学元(cavitation hammer acoustic finite element, CHAFE)仿真了双层板间的内流场与结构的流固耦合, 并采用ABAQUS有限元软件对空化声学元进行了验证, 发现了内流场的空化现象, 计算了内板受到的空化水锤压力。Xiao 等[69]使用DAA2 法处理双层结构间流体的附加质量效应, 发现内流场越多, 结构位移与速度响应越小。刘云龙[70]结合DAA 和声固耦合法, 解决了双层圆柱壳的内流场问题, 计算结果与解析解和软件结果吻合良好。
3.3 主要研究问题
利用数值仿真方法, 尤其是大型商业软件, 一些学者研究了舰船双层结构在水下爆炸载荷下的毁伤与防护效果, 探究了双层结构间的载况[71-73]、内外板的厚度[74]和间距、爆距等参数的影响规律。
现有数值仿真研究[71-74]得到的主要结论与理论和试验研究得到的结论大致相同, 如: 双层底空载(双层板间为空气)时, 外底板吸收了大部分能量,减小了内底板的变形; 双层底半载(图1(b)所示)时,液舱内表面会产生飞溅载荷冲击内板; 双层底满载时, 外板的吸能约为空载时的30% ～50%, 使内板的毁伤范围和能量吸收显著提高, 内外板的吸能及变形量处在同一水平; 板间支撑结构阻止了塑性变形的扩散, 使平板变形有所减小。李世铭[40]指出, 双层板液舱满载时, 冲击波直接作用于内板,使内板遭到严重毁伤, 舰船双层底板件采用非满载的形式可以提高其抗爆性能。
通过现有的研究可以看出, 采用数值仿真便于详细探究各个参数的影响, 并对双层结构水下防护性能进行优化设计。如Iakovlev[74]分析了内流场性质对结构响应的影响, 发现内流场声速的变化对外层结构拉应力峰值的影响很大, 而峰值压应力的变化是准线性的。Tang 等[75]对6 种不同的双层底液舱载况进行了仿真, 综合比较发现双层底液舱的最佳深度为90%, 内板与外板的最佳厚度比为11∶9。董能超[76]发现舷侧液舱比例在80%时, 液舱外板的塑性变形、液舱内板的最大应力达到最低。马欣等[77]设计了X 型、Y 型和I 型3 种新式的双层底结构, 结果表明X 型、Y 型结构冲击速度和加速度响应较小, 使内板更加安全。尹群[78]建立了传统形式和4 种新型结构形式的双层底有限元模型, 比较了5 种结构形式在相同水下爆炸载荷下的抗冲击性能, 发现小菱形结构形式的双层底为最佳。陈崧等[79]对舰船双层底结构进行优化设计, 发现在同等结构质量情况下, Y 型双层结构能提供更强的抗爆能力。李青等[80]比较了传统单层舷侧结构和4 种双层舷侧结构在远场非接触爆炸载荷下的抗冲击性能, 发现Y 型双层舷侧结构的抗冲击性能较好。姚熊亮等[81]对比了2 种Y 型舷侧结构的抗冲击性能, 并进行了优化设计, 发现Y 型开口向外的结构形式抗水下爆炸能力优于开口向内的结构形式, Y 型中线处于双层板中间时, 抗爆能力最优。
4 总结与展望
4.1 总结
文中从实验研究、理论研究和数值仿真研究3 个方面系统综述了双层板结构在水下爆炸载荷下的动态响应, 得出如下结论。
毁伤方面:
1) 双层板间液体会使冲击波发生反射现象导致空化、水锤效应的出现, 使内板受到抨击载荷;
2) 对于接触爆炸而言, 将药包放置在双层板架的板格中心下方处, 避开支撑结构, 相对于放置板格交叉点处, 结构吸能增加2～3 倍, 可以实现更大的毁伤效果;
3) 爆距过小时, 爆轰产物会从船体局部裂缝释放到空气中, 实现卸载, 爆轰产物的能量未被充分利用, 难以实现更大的毁伤效果。
防护方面:
1) 双层板结构的外板通过反射冲击波、变形破坏吸能, 减小传递到内板上的载荷, 有效保护内板, 因此增加外板厚度可提高抗冲击性能;
2) 双层板间为空舱时, 可减弱冲击波的透射作用, 缓冲爆轰产物的膨胀冲击压力, 双层板间为液舱时, 可阻滞高速金属射流和爆炸破片, 因此增加液舱宽度(即双层板间距)可提高防护效果;
3) 双层板间支撑结构的使用, 吸收了爆炸冲击波能量, 阻止了塑性变形的扩散, 限制了板架的整体变形, 支撑结构形式采用Y 型比其他形式支撑结构(如I 型、X 型)具有更好的抗冲击性能。
4.2 展望
综观目前研究仍存在一些不足之处, 需要进一步解决:
1) 建立真实工况以及复杂船舶结构的多尺度理论计算模型和水下爆炸实验测试系统, 研究应力波在实船中的传递与转换效应;
2) 探究双层板间支撑结构、加强筋结构的合理布置形式, 研究可同时抵抗静载荷和动载荷的舰船双层新型防护结构;
3) 建立不完整边界、弹塑性边界条件下气泡射流形成条件、气泡射流形成方向的判据, 研究气泡射流载荷对舰船双层结构内板的毁伤效应;
4) 突破水下高速摄像技术难题, 捕捉爆炸气泡与舰船双层结构相互作用全物理过程, 探究气泡与不完整边界的耦合机理。
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Research Progress in Damage and Protection of Surface Ship’s Double-Layer Structure Subjected to Underwater Explosion Load
SUN Yuan-xiang,CHEN Yan-wu
(State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)
Research on the damage and protection of surface ship double-layer structures subjected to underwater explosion loads can provide support for the improvement of ship protection capabilities and design of new weapons. Domestic and foreign research progress in terms of experimental research, theoretical research, and numerical simulations is systematically reviewed. The influences of parameters such as the medium and supporting structure between double-layer plates, plate spacing, and plate thickness on damage and protection effects are summarized. Major theoretical research results for doublelayer plate damage caused by shock wave transmission and energy absorption are also summarized. Finally, future research directions are discussed.
underwater explosion; surface ship; double-layer structure; damage; protection
TJ410; U674.7
R
2096-3920(2022)03-0342-12
10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.010
孙远翔, 陈岩武. 水下爆炸载荷下水面舰艇双层结构的毁伤与防护研究进展[J]. 水下无人系统学报, 2022, 30(3):342-353.
2022-02-23;
修回日期:2022-05-16.
国家自然科学基金项目资助(U1830139, 12141201); 爆炸科学与技术国家重点实验室(北京理工大学)自主研究课题探索性项目(YBKT22-05); 王宽诚德意志学术交流中心博士后奖学金(DAAD-K. C. Wong Postdoc Fellowships).
孙远翔(1967-), 男, 博士, 副教授, 主要研究方向为水下爆炸.
(责任编辑: 许 妍)
