反艦導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部作用船體板架結(jié)構(gòu)變形計算

晏衛(wèi)東，馬曉明，劉延青，張 戈，魏 琳，郭 君，張阿漫

（1.中國人民解放軍某部，遼寧 葫蘆島 125000；2.哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

反艦導(dǎo)彈武器技術(shù)的發(fā)展，使得艦船在作戰(zhàn)環(huán)境中越來越容易受到反艦導(dǎo)彈武器的攻擊。大部分反艦導(dǎo)彈武器會在艦船結(jié)構(gòu)附近或艙室內(nèi)發(fā)生爆炸，沖擊波超壓峰值極高，會對艦船結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大的破壞作用。因此，研究反艦導(dǎo)彈武器空中爆炸載荷特性及其對船體結(jié)構(gòu)毀傷機(jī)理對于提高艦船結(jié)構(gòu)在戰(zhàn)斗環(huán)境中的生命力有很重要的意義。國內(nèi)外研究人員對艦船結(jié)構(gòu)在爆炸載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，研究結(jié)果大多表明近場爆炸載荷會對艦船局部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生“終點(diǎn)效應(yīng)”，即艦船結(jié)構(gòu)受到攻擊后發(fā)生最大變形以及毀滅性破壞［1，2］。此類研究特點(diǎn)是研究成果都是建立在特定的艦船結(jié)構(gòu)以及特定載荷基礎(chǔ)之上，在應(yīng)用范圍和使用條件方面存在較大差異，在實(shí)際應(yīng)用過程中會產(chǎn)生不同程度的誤差，并且公式計算的結(jié)果并不能說明結(jié)構(gòu)的實(shí)時動態(tài)響應(yīng)。本文應(yīng)用應(yīng)力波及塑性動力學(xué)理論計算了船體板架結(jié)構(gòu)在近場空爆載荷作用下的實(shí)時變形，得到了一些有實(shí)際工程意義的結(jié)論。

1 無限介質(zhì)近場爆炸載荷特性

炸藥在空中爆炸時，瞬時轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗邏旱谋óa(chǎn)物，爆炸產(chǎn)物在空氣中膨脹，目標(biāo)離爆心越近，所受沖擊力越大，但是如果所受作用面積較小，盡管沖擊波壓力很高，破壞作用也只帶有局部性。

2 無限介質(zhì)中爆炸載荷驗(yàn)證及正壓區(qū)作用時間確定

2.1 載荷驗(yàn)證

由于空氣近場爆炸載荷的破壞性極大，因而公開發(fā)表近空氣自由場爆炸載荷的數(shù)據(jù)比較少，本文采用數(shù)值計算方法對爆炸載荷計算的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。應(yīng)用多物理場非線性有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對TNT炸藥在無限介質(zhì)場中爆炸進(jìn)行數(shù)值模擬計算，模擬計算的流場和藥包的有限元模型如圖1所示。

圖1 流場及藥包有限元模型圖

根據(jù)實(shí)際仿真計算結(jié)果，經(jīng)過試算、研究、分析，得到戰(zhàn)斗部炸藥和無限介質(zhì)場的仿真模型和計算參數(shù)。

仿真計算的有限元網(wǎng)格劃分質(zhì)量直接影響到結(jié)果精度，本文采用逐層控制劃分法對所需的無限介質(zhì)場進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以提高計算結(jié)果準(zhǔn)確度。通過大量的仿真計算，得到戰(zhàn)斗部炸藥在無限介質(zhì)場中爆炸時的沖擊波傳播規(guī)律和距爆心不同距離的無限介質(zhì)場的壓力時間曲線，如圖2～圖4所示。

從圖2～圖4可以看出，爆炸沖擊波以球形波的方式由爆心向外在流場中傳播，與爆心距離越大的位置，沖擊波壓力峰值越小，正壓作用時間越大，此特點(diǎn)符合自由空氣場中爆炸沖擊波在空氣中的傳播規(guī)律。表1為不同距離無限介質(zhì)場壓力峰值經(jīng)驗(yàn)公式計算值與數(shù)值計算值比較。

圖2 不同時刻爆炸沖擊波在空氣中的傳播

由表1可知，空氣中近場爆炸產(chǎn)物在距離藥包較近的位置產(chǎn)生極大的壓力，初始階段隨著爆炸氣體的體積膨脹，壓力值衰減很快，隨著膨脹體積的增大，壓力衰減速度比初始階段變慢，且為逐漸衰減到零的趨勢。數(shù)值計算結(jié)果的特點(diǎn)與炸藥空中爆炸物理過程定性符合，且經(jīng)驗(yàn)公式計算值與數(shù)值模擬計算值誤差約為10%左右，說明了計算方法的有效性。

圖3 距爆心不同單元自由場壓力時歷曲線

圖4 不同距離自由場壓力時歷曲線

表1 不同距離無限介質(zhì)場壓力峰值經(jīng)驗(yàn)公式計算值與數(shù)值模擬計算值比較

2.2 正壓區(qū)作用時間確定

應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式確定正壓區(qū)作用時間，如表2所示。由于其適用范圍的限制，具有較大的計算誤差。

表2 不同距離正壓區(qū)作用時間經(jīng)驗(yàn)公式計算值與數(shù)值模擬計算值比較

本文對數(shù)值計算結(jié)果采用數(shù)據(jù)擬合方法，得到正壓區(qū)作用時間的回歸計算公式，具體沖擊波衰減規(guī)律計算公式參見文獻(xiàn)［3］。

3 爆炸載荷作用下板架結(jié)構(gòu)的變形

3.1 作用在板架結(jié)構(gòu)的爆炸載荷計算

作用在板架結(jié)構(gòu)的爆炸載荷計算與無限自由場爆炸載荷計算不同，當(dāng)爆炸載荷作用在板架結(jié)構(gòu)表面時，形成復(fù)雜的反射作用，具體計算方法采用文獻(xiàn)［4，5］提供的方法。

3.2 板架初始破口的計算

由于載荷強(qiáng)度高、作用時間短，加上板架結(jié)構(gòu)面積較小，可將艦船的板架結(jié)構(gòu)近似看做加筋結(jié)構(gòu)與板具有相同破壞模式，將加筋結(jié)構(gòu)均攤到面板上采用等效板厚方法來處理。

3.3 板架變形計算

為了在簡化問題的同時得到工程實(shí)際問題可以接受的結(jié)果，板架破口計算時，將艦船板架結(jié)構(gòu)簡化為軸對稱問題，假設(shè)所關(guān)心區(qū)域?yàn)閳A形，這樣一來問題就簡化為處理圓板問題［6，7］。

根據(jù)文獻(xiàn)［7］研究內(nèi)容，推導(dǎo)出正壓作用時間內(nèi)板架破口計算方法。板架撓度的計算分為塑性變形區(qū)的撓度計算和破口區(qū)的撓度計算。

4 算例驗(yàn)證

目前，空中近場接觸爆炸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資源不足，可參考比對的數(shù)據(jù)較少，破口半徑經(jīng)驗(yàn)公式值引用吉田?。?］根據(jù)二戰(zhàn)艦船破損資料的試驗(yàn)結(jié)果。本文采用上述方法，應(yīng)用數(shù)值差分計算方法編制程序計算不同工況下船體結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

本文的仿真計算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計算值相比數(shù)值較小，這是由于現(xiàn)代造船技術(shù)和金屬材料生產(chǎn)技術(shù)比二戰(zhàn)時期有所提升，使得艦船結(jié)構(gòu)的總體強(qiáng)度和局部強(qiáng)度都有提高，從理論角度看方法是可行的。

反艦導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部在艦船艙室內(nèi)部爆炸會給艦船局部結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞，2發(fā)以上的反艦導(dǎo)彈武器直接命中船體的不同部位，足以使一艘2 000t左右的艦船喪失或部分喪失戰(zhàn)斗力，如果綜合考慮火災(zāi)、戰(zhàn)斗部破片及艦船技術(shù)裝備破壞等因素，艦船的損毀情況會更嚴(yán)重，對艦船的戰(zhàn)斗力破壞會更大。

表3 艦船板架結(jié)構(gòu)等效板厚變形計算結(jié)果

從近場接觸爆炸板架變形實(shí)驗(yàn)來看［9，10］，艦船板架結(jié)構(gòu)的變形呈花瓣狀開裂，花瓣狀開裂部分會發(fā)生卷邊，本文仿真計算并未考慮這些因素，其計算結(jié)構(gòu)破口的撓度值稍偏大。

5 結(jié)論

本文采用仿真計算方法對某船體板架結(jié)構(gòu)在無限介質(zhì)中近場爆炸載荷作用下其動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了計算，主要結(jié)論如下：①通過理論指導(dǎo)在非線性有限元軟件中建立了無限介質(zhì)中近場爆炸載荷計算的有限元模型，從仿真計算結(jié)果分析來看，此方法的計算結(jié)果對開展艦船結(jié)構(gòu)破壞研究工程實(shí)踐具有指導(dǎo)意義；②艦船結(jié)構(gòu)破壞動態(tài)響應(yīng)計算的初始條件可采用應(yīng)力波理論計算方法獲得，有利于提高計算精度；③通過仿真計算與經(jīng)驗(yàn)公式計算的對比分析，說明本文所建立的無限介質(zhì)中近場爆炸載荷作用下艦船結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的計算模型，可作為開展艦船結(jié)構(gòu)破壞研究工程實(shí)踐中結(jié)構(gòu)變形的估算方法。

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