杜志鵬，張磊，趙鵬鐸

海軍研究院，北京100161

0 引 言

艦炮曾經(jīng)是海戰(zhàn)中使用的主要武器，但隨著反艦導(dǎo)彈技術(shù)的發(fā)展，艦炮似乎逐步退出了海戰(zhàn)舞臺(tái)的中心。但近年來(lái)，電磁軌道炮異軍突起，使傳統(tǒng)艦炮武器的發(fā)展迎來(lái)了新的機(jī)遇。鑒于艦船未來(lái)可能遭受艦炮的攻擊，應(yīng)積極發(fā)展應(yīng)對(duì)此類威脅的防護(hù)措施。艦船防護(hù)一般分為主動(dòng)防護(hù)和被動(dòng)防護(hù)2種。與反艦導(dǎo)彈不同，炮彈基本上無(wú)需制導(dǎo)，也就難以采取隱身措施或采取炮彈干擾等主動(dòng)防護(hù)措施，故需要更加重視提高艦船的被動(dòng)防護(hù)能力，以增強(qiáng)其被炮彈擊中后的抗損性［1］。

通常，艦炮可發(fā)射多種炮彈，如榴彈、穿甲彈、半穿甲彈、燃燒彈、照明彈、發(fā)煙彈等，其中，對(duì)艦船具有殺傷力的炮彈主要是榴彈、穿甲彈和半穿甲彈。上述3種炮彈均可穿透艦船外板進(jìn)入艙室內(nèi)部再爆炸，并在封閉空間內(nèi)形成爆炸沖擊波和大量高速破片。對(duì)于典型驅(qū)逐艦，榴彈的裝藥量最大，其可穿透十幾毫米的外板，因此威力最大。炮彈對(duì)艦船造成毀傷的整個(gè)作用過(guò)程機(jī)理復(fù)雜，主要涉及如下過(guò)程：艦炮炮彈穿甲；爆炸形成沖擊波和高速破片；沖擊波和高速破片聯(lián)合毀傷艦船結(jié)構(gòu)、設(shè)備、人員和重要艙室。國(guó)外學(xué)者對(duì)上述毀傷過(guò)程開(kāi)展了大量理論、試驗(yàn)和仿真方法的研究，并形成了標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范以指導(dǎo)艦船設(shè)計(jì)。我國(guó)以往主要從毀傷威力的角度開(kāi)展艦炮爆炸試驗(yàn)和仿真研究，很少?gòu)呐灤雷o(hù)的角度進(jìn)行相關(guān)研究，從而制約了相關(guān)的性能評(píng)估和防護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。

盡管如此，國(guó)外文獻(xiàn)大多偏重機(jī)理研究，例如，光板在單純爆炸沖擊波載荷下的試驗(yàn)研究［2］和加筋板在沖擊波載荷下的試驗(yàn)研究［3］。國(guó)內(nèi)則多采用縮比模型方法開(kāi)展研究。例如，侯海量和朱錫等［4-6］利用18和33 g的TNT裝藥，對(duì)1∶4縮比艙室模型進(jìn)行了靜爆試驗(yàn)，以研究艙內(nèi)爆炸時(shí)的沖擊載荷及其作用過(guò)程，分析提出了艙內(nèi)爆炸載荷在角隅處聚集、結(jié)構(gòu)在角隅處撕裂的失效模式；孔祥韶等［7］采用雙層艙室結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了不同藥量時(shí)的艙內(nèi)爆炸試驗(yàn)，研究了3種不同角隅連接結(jié)構(gòu)型式對(duì)沖擊波在角隅匯聚情況的影響。對(duì)于少數(shù)實(shí)尺度爆炸試驗(yàn)，主要是從戰(zhàn)斗部毀傷的角度進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，而對(duì)艙室爆炸強(qiáng)度的等效性尚未進(jìn)行過(guò)充分分析［8］。

本文將以提高在艦炮攻擊下艦船艙室損傷特性的等效性為目標(biāo)，開(kāi)展實(shí)尺度艦船艙內(nèi)炮彈靜爆試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)分析方法的研究，以提出爆源、艙室結(jié)構(gòu)、設(shè)備和人體模型的簡(jiǎn)化方法及設(shè)計(jì)制作要求，并得出艙內(nèi)靜爆沖擊波超壓、準(zhǔn)靜態(tài)超壓、結(jié)構(gòu)應(yīng)變等數(shù)據(jù)的處理方法，最后給出一次實(shí)尺度艦船艙內(nèi)炮彈靜爆試驗(yàn)獲得的艙室結(jié)構(gòu)損傷特性。

1 試驗(yàn)方法

戰(zhàn)斗部靜爆試驗(yàn)方法已有較成熟的標(biāo)準(zhǔn)，如GJB5232.X-2004《戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部靶場(chǎng)試驗(yàn)方法［9］》、GJB 6390.X-2008《面殺傷導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部靜爆威力試驗(yàn)方法［10］》等。上述標(biāo)準(zhǔn)都是從戰(zhàn)斗部威力的角度給出的試驗(yàn)方法，對(duì)于從艦船損傷角度開(kāi)展的試驗(yàn)，其試驗(yàn)流程和測(cè)量方法基本相同，主要是在上述試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)爆源、艙室結(jié)構(gòu)模型、設(shè)備模型、人體模型等進(jìn)行分析，以提出適合的設(shè)計(jì)和制作方法。

1.1 爆 源

為測(cè)試艦船艙室結(jié)構(gòu)抗炮彈爆炸的性能，應(yīng)首選采用與其抗爆指標(biāo)接近的實(shí)彈作為爆源。我國(guó)現(xiàn)有炮彈的威力與指標(biāo)可能存在差別，通過(guò)計(jì)算對(duì)比，對(duì)爆源當(dāng)量的誤差宜控制在10%以內(nèi)。以下是具體的分析過(guò)程。

艦船抗爆性能試驗(yàn)采用的爆源應(yīng)能較好地反映敵方炮彈爆炸攻擊的模式和威力。炮彈在艙內(nèi)爆炸主要產(chǎn)生3種載荷：沖擊波超壓、準(zhǔn)靜態(tài)超壓和破片。相比于導(dǎo)彈和炸彈，炮彈裝藥量較小，威力有限。此外，爆炸破片對(duì)結(jié)構(gòu)主要產(chǎn)生厘米級(jí)的小穿孔，主要對(duì)設(shè)備人員造成殺傷，基本不會(huì)影響整個(gè)艙室結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度；沖擊波峰值高但持續(xù)時(shí)間短，主要產(chǎn)生初期的局部花瓣破口和板架邊界撕裂，對(duì)整個(gè)艙室結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的破壞起次要作用；爆炸沖擊波過(guò)后的爆轟產(chǎn)物在密閉的艙室空間內(nèi)不斷積聚，形成準(zhǔn)靜態(tài)超壓，該超壓雖然幅值較低，但持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，作用面積大，對(duì)整個(gè)艙室結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生主要影響。因此，進(jìn)行抗爆校核評(píng)估時(shí)，應(yīng)以準(zhǔn)靜態(tài)超壓載荷作為爆源威力的主要指標(biāo)，以沖擊波超壓載荷作為次要參考指標(biāo)。

英國(guó)勞氏軍船規(guī)范［11］對(duì)于內(nèi)部爆炸主要考核準(zhǔn)靜態(tài)超壓對(duì)艙壁的破壞效應(yīng)，目的是限制爆炸損傷擴(kuò)展到毗鄰的艙室。該規(guī)范認(rèn)為，“沖擊波和準(zhǔn)靜態(tài)超壓都會(huì)造成結(jié)構(gòu)失效。一般來(lái)說(shuō)，若武器具有足夠的當(dāng)量通過(guò)沖擊波造成損傷，則其也會(huì)在準(zhǔn)靜態(tài)超壓下受到損傷。故對(duì)于一般的設(shè)計(jì)，可以采用準(zhǔn)靜態(tài)超壓作為失效載荷的判據(jù)。”

根據(jù)勞氏軍船規(guī)范，準(zhǔn)靜態(tài)超壓Pqs（單位：MPa）可通過(guò)式（1）計(jì)算［11］。

式中：We為等效TNT當(dāng)量，kg；V為艙室體積，m3。

對(duì)于典型驅(qū)護(hù)艦，水線以上艙室的面積為16～100 m2，按照2.5 m層高、75%空間率計(jì)算，艙室體積為30～187.5 m3。炮彈等效TNT當(dāng)量約為0.5～10 kg。圖1所示為爆源當(dāng)量和艙室體積變化對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)超壓的影響。

由圖1可以看出，爆源當(dāng)量變化對(duì)壓力的影響較小。對(duì)于體積平均值為100 m3的艙室，爆源當(dāng)量在5～6 kg之間（增加20%），壓力由0.26 MPa增加到0.3 MPa（增加了15%），故對(duì)爆源當(dāng)量的誤差宜控制在10%以內(nèi)。若目標(biāo)炮彈等效TNT當(dāng)量為5 kg，則試驗(yàn)時(shí)的爆源可采用的等效TNT當(dāng)量為（5±0.5）kg為宜。

目前，國(guó)外發(fā)展比較成熟的主炮包括俄羅斯的AK-130型雙管130 mm艦炮、美國(guó)的Mk45型127 mm艦炮、意大利的“奧托”127 mm艦炮、英國(guó)的Mk8型單管114 mm艦炮、法國(guó)的緊湊型單管100 mm艦炮、意大利的“奧托”單管76 mm艦炮以及俄羅斯的AK-176M單管76 mm艦炮等。我國(guó)艦炮炮彈以130和76 mm為主，與國(guó)外同類艦炮的威力相當(dāng)，可作為艙室結(jié)構(gòu)抗爆性能試驗(yàn)的爆源。但應(yīng)根據(jù)抗爆試驗(yàn)威脅武器的威力，在充分計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，選取適合的炮彈作為爆源。若我國(guó)現(xiàn)有炮彈威力與目標(biāo)相差較大，需專門(mén)設(shè)計(jì)制造專用爆源。

1.2 艙室模型

1.2.1 船體結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

1）模型材料和強(qiáng)構(gòu)件設(shè)計(jì)。

船體艙室結(jié)構(gòu)模型應(yīng)能反映實(shí)船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此，船體結(jié)構(gòu)模型的材料、強(qiáng)構(gòu)件尺寸應(yīng)與原型的相同。強(qiáng)縱桁、強(qiáng)橫梁、強(qiáng)肋骨、強(qiáng)扶強(qiáng)材在炮彈艙內(nèi)爆炸載荷作用下自身變形較小，對(duì)整體強(qiáng)度起主要支撐作用，因此模型應(yīng)與原型相同。

2）模型普通構(gòu)件設(shè)計(jì)。

普通的縱骨、肋骨和扶強(qiáng)材強(qiáng)度較低，在爆炸載荷作用下與板一起變形，故可以簡(jiǎn)化等效為強(qiáng)度相同的平板。但這些加筋材有一定的止裂功能，因而在可能產(chǎn)生破口、裂紋的部位應(yīng)與原型的相同。

3）對(duì)焊接的要求。

焊接形式對(duì)船體結(jié)構(gòu)抗爆強(qiáng)度的影響顯著。根據(jù)勞氏軍船規(guī)范，結(jié)構(gòu)抗爆強(qiáng)度采用填角焊焊接的高度為2.5 m、厚度為4 mm的鋼板作為標(biāo)準(zhǔn)值R4N。而不同的板架強(qiáng)度換算公式為［11］

式中：h為板厚；l為板的短邊長(zhǎng)；Kj為焊接系數(shù)；Km為鋼板材料系數(shù)。具體如表1和表2所示。

表1 焊接形式系數(shù)Table 1 Corfficients of welding form

表2 鋼板材料系數(shù)Table 2 Coefficients of plate material

鑒于焊接形式是一項(xiàng)重要的抗爆影響因素，與鋼板材料力學(xué)性能對(duì)抗爆的影響處于同一個(gè)量級(jí)，故需規(guī)定艙室模型的焊接材料與焊接工藝應(yīng)與原型相同。

4）開(kāi)口設(shè)計(jì)。

艙室是一個(gè)相對(duì)密閉的空間，炮彈在內(nèi)部爆炸產(chǎn)生的能量在此空間內(nèi)不斷集聚形成準(zhǔn)靜態(tài)超壓，從而對(duì)結(jié)構(gòu)造成破壞。若有開(kāi)口，能量則會(huì)泄出，從而影響準(zhǔn)靜態(tài)超壓對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞效果。根據(jù)文獻(xiàn)［12］中的試驗(yàn)及量綱分析結(jié)果，推導(dǎo)出艙室內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)超壓Ps(t)時(shí)域曲線如式（3）所示［12］。

式中：PQ為準(zhǔn)靜態(tài)超壓峰值，Pa；c為時(shí)間衰減系數(shù)，s-1，并由式（4）確定。

式中：αe為泄壓面積比，即開(kāi)口面積除以艙室內(nèi)表面積；As為艙室內(nèi)表面積，m2。

準(zhǔn)靜態(tài)超壓作用持續(xù)時(shí)間t由式（5）表示為［12］

式中：P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力。

由式（5）可見(jiàn)，準(zhǔn)靜態(tài)超壓持續(xù)時(shí)間τ與c成反比。也就是說(shuō)，在艙室體積一定的情況下，開(kāi)口面積越大，準(zhǔn)靜態(tài)超壓持續(xù)時(shí)間就越小。因此，在艙室模型上應(yīng)將實(shí)際艙室的門(mén)、窗的開(kāi)口反映出來(lái)。對(duì)于中等大小艙室的長(zhǎng)和寬，均按4 m計(jì)算，則0.5 m2的開(kāi)口面積占總面積的1%。如果要使此項(xiàng)誤差小于1%，超過(guò)0.5 m2的開(kāi)口應(yīng)在模型中反映出來(lái)。

1.2.2 設(shè)備模型設(shè)計(jì)

1）設(shè)備對(duì)艙室結(jié)構(gòu)抗爆的影響。

炮彈艙內(nèi)爆炸沖擊波、準(zhǔn)靜態(tài)超壓和破片都會(huì)受艙內(nèi)設(shè)備的影響。設(shè)備對(duì)沖擊波和破片有遮擋效應(yīng)，但對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)超壓有增強(qiáng)效應(yīng)。而準(zhǔn)靜態(tài)超壓是對(duì)結(jié)構(gòu)損傷作用最大的載荷。因此，為體現(xiàn)設(shè)備所占用的艙內(nèi)空間，對(duì)于設(shè)備總體積超過(guò)艙室體積10%的艙室，應(yīng)在模型中布置設(shè)備模型。

2）設(shè)備模型的材料。

由于模擬設(shè)備主要是為占據(jù)空間，使內(nèi)爆準(zhǔn)靜態(tài)超壓與原型的保持一致，故設(shè)備模型可采用與原型不同的材料。

3）設(shè)備模型固定位置。

由于模擬設(shè)備主要是為占據(jù)空間，故位置可與原型的不一致。尤其是當(dāng)原型艙室中設(shè)備與爆源距離較近時(shí)，為避免設(shè)備被炸飛而破壞艙室內(nèi)布置的測(cè)量傳感器和纜線，以及減小爆炸沖擊波在設(shè)備上反射帶來(lái)的不確定性，應(yīng)將設(shè)備模型布置在距離爆源至少1 m以外的位置。

1.2.3 人體模型

如果需要考察炮彈在艙內(nèi)爆炸對(duì)人體的殺傷效果，可在艙內(nèi)或相鄰艙室內(nèi)布置人體模型。其中假人模型具有與人體相同的質(zhì)量和剛度分布，可用于模擬人體在爆炸沖擊波作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，并可以反映人體被爆炸破片命中的情況。動(dòng)物可模擬人體的生物學(xué)損傷，可用于觀察各類組織器官受沖擊波和破片貫穿的傷情。等效靶面積和強(qiáng)度與人體有一定的等效關(guān)系，且便于使用，可用于評(píng)估人體受傷程度。沙袋、水袋可用來(lái)收集貫穿人體破片的數(shù)量和形狀。

各種人體模型的設(shè)置不應(yīng)影響艙室結(jié)構(gòu)抗爆性能的效果。當(dāng)人體模型與爆源接近時(shí)，沖擊波的反射或人體模型的破碎會(huì)影響艙室結(jié)構(gòu)載荷。

2 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)處理方法

2.1 沖擊波超壓數(shù)據(jù)的處理方法

1）沖擊波峰值修正。

根據(jù)對(duì)實(shí)彈艙內(nèi)靜爆試驗(yàn)結(jié)果的分析可知,實(shí)測(cè)得到的沖擊波數(shù)據(jù)因傳感器尺寸等因素影響，會(huì)導(dǎo)致沖擊波峰值被抹平，故需對(duì)其進(jìn)行修正，如圖2所示。圖中：A，B，C分別為原始數(shù)據(jù)中沖擊波超壓起始點(diǎn)、峰值點(diǎn)和衰減至一半峰值的點(diǎn)；C′為修正后的沖擊波峰值點(diǎn)；E和F分別為C′和B對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

根據(jù)空中爆炸沖擊波傳播理論，沖擊波波峰為強(qiáng)間斷，并隨時(shí)間呈指數(shù)衰減，如式（3）所示。

因此，將壓力時(shí)域數(shù)據(jù)的縱坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為對(duì)數(shù)后，式（3）可改寫(xiě)為

由此可見(jiàn)，取對(duì)數(shù)后，可用直線擬合壓力時(shí)域數(shù)據(jù)，將擬合得到的壓力時(shí)域線延長(zhǎng)直至沖擊波到達(dá)時(shí)刻，即可得到理論上的沖擊波峰值。但由于沖擊波波陣面實(shí)際上仍有一定的厚度，所以不可能在沖擊波到達(dá)時(shí)刻立即達(dá)到峰值。根據(jù)給出的近似方法［12］，可取沖擊波到達(dá)時(shí)刻與原始測(cè)試得到的沖擊波超壓峰值時(shí)刻的中間時(shí)刻作為沖擊波峰值時(shí)刻。因此，將擬合得到的壓力時(shí)域線延長(zhǎng)，直至修正后的峰值時(shí)刻，即可得到修正后的沖擊波峰值。

2）破片激波干擾修正。

炮彈艙內(nèi)爆炸將產(chǎn)生沖擊波和大量四處飛散的破片。破片飛散速度可達(dá)1 000 m/s以上，超過(guò)了空氣中的聲速340 m/s，故在破片周圍會(huì)產(chǎn)生具有較高強(qiáng)度的激波。當(dāng)破片掠過(guò)壓力傳感器時(shí)，激波會(huì)對(duì)傳感器造成干擾，如圖3所示。

根據(jù)沖擊波理論［13］，沖擊波時(shí)域衰減規(guī)律可由式（7）表示。

式中：Pi(t)為沖擊波超壓擬合數(shù)據(jù)，Pa；PMAX為通過(guò)原始數(shù)據(jù)擬合得到的沖擊波超壓峰值，Pa；cη為通過(guò)原始數(shù)據(jù)擬合得到的沖擊波超壓衰減系數(shù)。因此，可采用指數(shù)函數(shù)擬合，獲取光滑的沖擊波超壓曲線。

2.2 準(zhǔn)靜態(tài)超壓數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)文獻(xiàn)［12］的實(shí)驗(yàn)及量綱分析結(jié)果，推導(dǎo)得到艙室內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)超壓時(shí)域表達(dá)式如下：

式中：PQMAX為通過(guò)原始數(shù)據(jù)擬合得到的準(zhǔn)靜態(tài)超壓峰值，Pa；cs為通過(guò)原始數(shù)據(jù)擬合得到的準(zhǔn)靜態(tài)超壓衰減系數(shù)。

2.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)的處理方法

由于炮彈爆炸時(shí)艙室結(jié)構(gòu)的應(yīng)變往往較大，故屬于大應(yīng)變測(cè)量。理論上，應(yīng)變測(cè)試電路輸出的電壓與應(yīng)變片應(yīng)變不是線性關(guān)系。在小應(yīng)變測(cè)量范圍，電壓與應(yīng)變可以近似為線性，以便于使用。但當(dāng)應(yīng)變較大時(shí)，該誤差則不可忽略［14］。

式中：Er為應(yīng)變計(jì)算誤差；ΔR為應(yīng)變片電阻變化量；R為應(yīng)變片電阻，Ω；k為應(yīng)變片靈敏度系數(shù)；ε為應(yīng)變片的應(yīng)變。

當(dāng)k=2和ε=0.1時(shí)，應(yīng)變計(jì)算誤差Er為10%。因此，若要確保誤差小于10%，應(yīng)在應(yīng)變?chǔ)懦^(guò)0.1時(shí)，按如下非線性關(guān)系計(jì)算電壓與應(yīng)變［14］：

式中：ΔUg為輸出電壓，mV；U為供電電壓，mV。

2.4 其他數(shù)據(jù)處理方法

1）爆炸破片速度。

國(guó)軍標(biāo)GJB 3197-1998中關(guān)于炮彈試驗(yàn)方法（402破片速度方法）規(guī)定，利用測(cè)速靶數(shù)據(jù)處理分析得出破片速度。

2）加速度數(shù)據(jù)處理方法。

加速度數(shù)據(jù)主要用于在炮彈艙內(nèi)爆炸沖擊環(huán)境下對(duì)相鄰艙室的結(jié)構(gòu)、設(shè)備和人員沖擊安全性進(jìn)行評(píng)估。對(duì)于加速度數(shù)據(jù)，可按照HJB 550-2012《水面艦艇沖擊環(huán)境測(cè)量方法》的規(guī)定，將其轉(zhuǎn)換為沖擊響應(yīng)譜。

3 艙室典型損傷特征

實(shí)彈爆炸試驗(yàn)表明，艙室結(jié)構(gòu)在炮彈爆炸沖擊波與破片的作用下呈現(xiàn)為3種損傷模式。

3.1 局部花瓣破口

在炮彈爆距為0～0.5 m的實(shí)彈和等效裸炸藥試驗(yàn)中，均發(fā)生了板架損傷模式I，即局部花瓣破口，如圖4所示。

局部花瓣破口的形成機(jī)理是：在近距離爆炸破片和沖擊波的聯(lián)合作用下，板架中心載荷遠(yuǎn)高于邊界處，故中心板架材料先于邊界受到剪力破壞而出現(xiàn)破口，但邊界的材料尚未失效；隨后，破口處裂紋在后續(xù)沖擊波的作用下繼續(xù)擴(kuò)展，形成花瓣，高速卷曲形成破口；當(dāng)花瓣開(kāi)裂遇到加筋材阻礙時(shí)，若花瓣動(dòng)能高于加筋材的應(yīng)變能，則連同加筋材一起開(kāi)裂，若低于加筋材的應(yīng)變能，則截止于加筋處。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，局部破口的發(fā)生條件是爆距小于0.25倍板架寬。這里的板架指強(qiáng)骨材與艙壁甲板圍成的板和弱加筋區(qū)域。

3.2 板架沿邊界剪切斷裂

在炮彈1 m爆距實(shí)彈和等效裸炸藥試驗(yàn)中，均發(fā)生了板架損傷模式Ⅱ，即邊界剪切斷裂，如圖5所示。

板架整體沿邊界剪切斷裂的形成機(jī)理是：當(dāng)爆距較大時(shí)，整個(gè)板架受到強(qiáng)度較均勻的壓力載荷作用，即使破片造成板架局部穿孔，沖擊波強(qiáng)度仍不足以將其拓展形成花瓣；板架整體受壓形成對(duì)邊界的剪切，當(dāng)作用于板架的總能量超過(guò)邊界處材料的應(yīng)變能時(shí)發(fā)生斷裂。

3.3 板架大變形

在所有工況試驗(yàn)中，爆源對(duì)面艙壁均發(fā)生了板架大變形的損傷模式Ⅲ，如圖6所示。

板架大變形的形成條件是：當(dāng)爆距較遠(yuǎn)時(shí)，整個(gè)板架受到較均勻的壓力載荷作用，破片穿孔處未拓展形成花瓣，而且整個(gè)板架邊界尚未達(dá)到斷裂極限。

Yuan 和 Tan［15］總結(jié)了近 40 多年以來(lái)矩形板架爆炸變形破損的研究成果，其將大變形和邊界剪切斷裂的損傷模式采用無(wú)量綱的比沖量作為判據(jù)，如圖7所示。圖中，γ表示板的長(zhǎng)寬比，w0/h為板變形量與板厚之比。

由此，本文進(jìn)一步將花瓣破口進(jìn)行補(bǔ)充，從而形成板架結(jié)構(gòu)在炮彈戰(zhàn)斗部載荷作用下的變形與破損模式判據(jù)，如表3所示。

表3中，等效比沖量I*由式（11）表示［15］：

表3 板架結(jié)構(gòu)破損模式判據(jù)Table 3 Criteria for failure modes of grillage structure

式中：為比沖量；h為板厚；σy為屈服強(qiáng)度；ρ為材料密度。

在進(jìn)行艙室結(jié)構(gòu)損傷效應(yīng)分析時(shí)，首先根據(jù)上表判斷板架所屬的損傷模式，然后計(jì)算損傷程度。對(duì)于邊界剪切斷裂損傷模式，破損范圍就是整個(gè)艙壁，故無(wú)需再進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于花瓣破口的損傷模式，則需要判斷破口大小。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了采用實(shí)尺度艦船艙室模型進(jìn)行炮彈艙內(nèi)靜爆試驗(yàn)的方法。該方法對(duì)爆源當(dāng)量、船體模型和試驗(yàn)結(jié)果的分析方法進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，可使試驗(yàn)結(jié)果更好地反映實(shí)船內(nèi)炮彈爆炸對(duì)船體結(jié)構(gòu)、設(shè)備和人員的毀傷特性。采用該試驗(yàn)方法開(kāi)展了實(shí)船艙內(nèi)炮彈靜爆試驗(yàn)，根據(jù)不同爆源當(dāng)量和不同爆距的試驗(yàn)結(jié)果分析，總結(jié)提出了艙室結(jié)構(gòu)的3種損傷模式及其判據(jù)，包括大變形、邊界剪切斷裂和花瓣破口。其中，花瓣破口是以往文獻(xiàn)并未明確提出的一種典型破損模式，其判據(jù)包括2個(gè)方面：一是爆距小于0.25倍板架寬；二是爆炸能量大于板的彎曲塑性變形能。本文將前人總結(jié)的矩形板架結(jié)構(gòu)爆炸變形損傷模式進(jìn)行了拓展，結(jié)果可為艦船抗爆校核評(píng)估與防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

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