舱室结构在战斗部舱内爆炸作用下毁伤特性的实验研究

收稿日期:2018-04-26

基金项目:国防基础研究项目(No.B1420133057);国家自然科学基金(No.51509196);中央高校基本科研业务费

专项资金(No.2014-yb-20)

作者简介:李营(1988-),男,博士后,E-mail:liying@ ;张磊(1972-),男,高级工程师,博士生导师;

杜志鹏(1977-),男,高级工程师,博士生导师,通讯作者,E-mail:duzp7755@ 。

舱室结构在战斗部舱内爆炸作用下

毁伤特性的实验研究

李营1,2,张磊2,杜志鹏2,赵鹏铎2,任宪奔1,方岱宁1(1.北京理工大学先进结构技术研究院,北京100081;2.海军研究院,北京100161)

摘要:文章设计了典型多舱结构模型,开展了多舱结构在舱内爆炸作用下的毁伤特性实验,测量了爆炸破片和冲击波载荷,并用高速摄像机记录了爆炸毁伤过程,分析了塑性变形、毁伤模式等结构毁伤特点。结果表明:(1)舱内爆炸作用下结构受爆炸冲击波与破片群联合作用,且舱内爆炸载荷包含明显的准静态压力段;(2)紧贴战斗部的舱壁发生花瓣状破口并将压力泻到相邻舱室,较近结构受冲击波与破片联合作用效果明显;(3)加强筋较好地限制了爆炸破口,但变形梯度较大的地方易产生裂纹;(4)内爆炸作用下普通舱门是舱室结构薄弱环节,须重点关注。

关键词:舱内爆炸;毁伤特性;耦合效应;准静态压力;舱门;爆炸破片

中图分类号:U663.9O383+.1文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1007-7294.2018.08.009

Experiment investigation on damage characteristic of cabins under warhead internal blast

LI Ying 1,2,ZHANG Lei 2,DU Zhi-peng 2,ZHAO Peng-duo 2,REN Xian-ben 1,FANG Dai-ning 1(1.Institute of Advanced Structure Technology,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;2.Naval Research Academy,Beijing 100161,China)

Abstract :Multi-cabin structure was designed under warhead internal blast,and fragments and blast wave loading were measured.At the same time,plastic deformation and failure modes were investigated by high-speed camera.The results show that:(1)Cabins bear combined effect of blast wave,fragments and quasi-static pressure in especial;(2)There would be petalling in the clinging bulkhead,that would vent blast loading to adjacent cabin;(3)Stiffeners enhance strength of bulkheads and decrease blast hole,but those would cause local cracks;(4)Traditional hatch doors are weak parts of cabin under internal blast.Key words:internal blast;damage characteristic;combined effect;quasi-static pressure;hatch door;fragments

0引言

反舰导弹、舰炮是舰船面临的重要水上武器威胁,其毁伤舰船结构的主要途径是侵彻舷侧外板后进入舱室内部爆炸,即舱内爆炸[1]。在舱内爆炸作用下,舰艇结构承受爆炸冲击波和爆炸破片的联合载文章编号:1007-7294(2018)08-0993-08第22卷第8期船舶力学Vol.22No.82018年8月

Journal of Ship Mechanics Aug.2018

994船舶力学第22卷第8期荷作用,会发生较为严重的损伤、甚至造成舰毁人亡的灾难[2]。舰船结构设计时如何评估舱内爆炸的毁伤特性及有针对性地开展结构设计,成为学术界和舰船设计者广泛关心的问题。

国内外学者高度关注舱内爆炸作用下的舰船结构毁伤问题。西方海军强国由于军事保密等原因,公开发表的舰船舱内爆炸方面的文献非常少:美国UFC 海陆空三军通用规范[3]对内爆炸载荷简化方法进行了叙述;Aderson 等[4]给出了内爆炸准静态压力的计算公式;芬兰海军[5]也高度关注内爆炸作用下舰船结构的变形,并对使用Abaqus 软件采用简化载荷进行了舰船评估。在国内,侯海量等[6-7]分析了舱内爆炸载荷的特点,并通过数值仿真手段讨论了结构的破坏模式,研究表明舱内爆炸时角隅处载荷强度远大于其他位置,舱内结构破坏的主要模式为沿角隅位置发生撕裂等;Yu 等[8]研究了箱型梁对舱内爆炸作用的剩余极限强度的影响。

在舰船设计领域应用极为广泛的劳式船级社规范[9]中明确规定,内爆炸载荷包含冲击波(包含准静态压力)及爆炸破片。上述研究主要采用的是数值分析方法,舱内爆炸毁伤的实验数据较少。另外,研究主要关注了爆炸冲击波的影响,没有考虑爆炸冲击波与破片群的联合作用,毁伤特性及毁伤模式的预测也需要实验验证。

本文设计了典型多舱结构模型,开展了多舱结构在舱内爆炸作用下毁伤特性的实验研究,并用高速摄像机记录了爆炸毁伤过程。分析了爆炸破片和冲击波载荷特点,塑性变形、毁伤模式等。研究结论为舰船结构抗舱内爆炸设计提供了参考。

1实验设置

1.1实验模型

模型由3个4m ×2m ×2.5m 的舱室组成,共计12m ×2m ×2.5m ,材料为Q345钢。上甲板厚10mm ,下甲板厚5mm ,横纵舱壁均为4mm ,强骨材采用T 型材(200×80×8×6),弱骨材采用L 型钢(60×20×4×5)。扶强材、横梁、纵桁等加强结构连接部分采用肘板加强。战斗部选用直径为130mm 、长度为450mm 的圆柱形战斗部,内部装药为TNT 约6.23kg ,外部壳体厚度为20mm 。采用端部雷管引爆战斗部。战斗部横向放置,放置在1号舱室2号横舱壁中心处,高度1.25m 。舱室和战斗部模型示意图如图1所示,其中单舱几何模型图如图1(a )所示,3舱室三维模型如图1(b )所示,战斗部几何模型如图1(c )所示。

(a )单舱几何模型

前舱壁后舱壁

横舱壁

上舱壁