北京理工大学李营教授团队提出“以柔克刚”的舰艇抗爆舱壁。
反舰导弹是现代舰艇面临的最重要的威胁之一，其爆炸毁伤源包括爆炸冲击波、准静态压力和高速破片群，如图1所示。舱壁结构由于强度相对较弱，成为反舰导弹穿舱爆炸作用后准静态压力载荷扩散，扩大毁伤范围的主要途径。各国海军将舱壁结构设计作为舰船抗反舰导弹内爆设计的重要途径，因此开展舱壁结构抗内爆炸研究十分重要。舰船舱壁抗内爆炸设计面临诸多困难：内爆炸载荷较大，借鉴静载荷设计方法，通过密加筋等方法提高结构抗爆强度导致结构重量明显增加，现实操作较难。而船体结构大规模采用夹层板等新结构，不仅大幅度增加经济成本，也对舰船加工工艺提出了挑战。本文在现有舱壁结构的基础上通过改变舱壁角隅附近的应力状态，设计了一种新型角隅连接结构，在不进行颠覆性改变，无须进行大范围结构形式和材料的调整的情况下，仅通过在连接处设置弧形结构就可显著改善舱壁的抗破损能力。研究结论可为新型舰艇抗爆舱壁设计和服役舰艇改造提供有价值的参考。
图1舰艇舱内爆炸载荷特性与防护技术
近日，北京理工大学方岱宁院士、北京理工大学李营教授团队提出了一种如图2所示的弧形限位器（CPS），将其安装在传统舱壁背面的角隅节点处，采用数值仿真方法对比了同等舱内爆炸载荷下传统舱壁和新型舱壁的应力状态。结果表明传统舱壁局部塑性变形达到了临界破坏值，上下边缘发生撕裂破坏，结构产生整体吹飞破坏，而新型舱壁最大塑性应变远小于传统结构，如图3所示。CPS结构的设置改变了舱壁的破坏模式，使舱壁的破坏模式由模式Ⅱ（边缘拉伸破坏）转变为模式Ⅰ（塑性大变形），避免了爆炸相邻舱室受到冲击波和准静态压力的作用。
图2传统舱壁和新型舱壁截面剖视图
图3两种不同舱壁的应变分布
北京理工大学方岱宁院士、北京理工大学李营教授团队的论文从等效塑性应变分布的角度分析了新型舱壁连接结构抗爆性能提升的内在机制，如图4所示。传统舱壁塑性变形的分布规律为中间基本相同，舱壁与甲板连接处塑性变形的局部化特征明显，且随着时间的增加，塑性应变局部化程度进一步增大，此处为舱壁抗爆设计的薄弱环节。而设置了CPS结构的新型舱壁不仅中间区域的塑性变形小于传统结构，舱壁与强力甲板连接处的应变更是大幅度降低，显著提高了舱壁结构的抗爆性能。对比了连接处单元的剪应力，变形前期，传统舱壁与新型舱壁的剪切应力基本一致。随着变形的持续，传统舱壁的剪应力迅速增大，并在5.1ms时刻，达到峰值MPa，在6.2ms时刻，单元失效，舱壁整体失效；而新型舱壁在0.9ms后剪切应力相对持平，并在5.4ms后略有下降。可见新型舱壁改善了连接处的局部剪切应力。
图4(a)不同舱壁的塑性应变；(b)舱壁连接处的剪切应力
论文通过引入应力三轴度因子，进一步考察了角隅连接处的应力状态，如图5(a)所示。研究发现传统舱壁的应力三轴度在0.23左右波动，处于拉伸和剪切联合作用阶段，处于低碳钢材料断裂应变较低的区间；而新型舱壁由于CPS结构的作用，连接处局部应力三轴度约为0.45，材料处于单轴拉伸向双轴拉伸过渡区间，说明新型舱壁将传统舱壁连接处的拉剪联合作用改进为纯拉伸作用。一定程度上增大了临界断裂应变，即更难发生材料失效。在此基础上，作者结合简单梁挠曲变形理论，推导了局部梁弯曲引起的塑性应变增量与舱壁板厚t和弧形限位器半径r之间的定量关系，如图5(b)所示。揭示了变形协调装置提高了边缘处的曲率变形，降低了局部弯曲应变。
图5(a)舱壁角隅处的应力三轴度随时间的变化；(b)径厚比对弯曲塑性应变增量的影响
综上，新型舱壁抗破损效果主要是由两方面机制共同作用的结果：(1)弧形限位器能有效减小舱壁的最大塑性变形、局部塑性应变和剪切应力；(2)弧形限位器能改变舱壁与强力甲板连接处的应力状态，提高材料的失效应变。
本文相关成果分别以《改变应力状态的抗内爆炸舱壁》和《舱内爆炸作用下舰船舱壁失效机理与抗破损设计》为题发表在船舶领域旗舰期刊船舶力学和中国造船上。通讯作者为海军研究院杜志鹏高工，北京理工大学李营教授为论文第一作者，方岱宁院士、张磊高工、周心桃高工等为论文合作者。