北京理工大学李营教授团队提出:舰艇结构加筋不一定能提高抗爆能力。
爆炸冲击波一直以来都是海军舰艇面临的主要威胁,诸如反舰导弹,鱼雷等武器爆炸产生的冲击波可以对舰船舱室与人员造成直接的毁灭性打击。随着武器打击精度和装药量的不断提高,爆炸冲击波这一威胁被不断放大。研究在冲击波作用下舰船各组成部分的响应规律,并以此为依据进行有效地防护尽可能地提升海军舰船的生命力是目前研究的重中之重。加筋板作为舰船结构的基本单元其对其在冲击波作用下的响应规律的探究是必不可少的。
图1英“谢菲尔德”号驱逐舰倾覆沉没
近日,北京理工大学方岱宁院士、李营教授团队从试验和仿真两个方面探讨了未加筋的光板,单加筋板,双加筋板随着舱内爆炸载荷的爆距的变化其响应机制的变化规律。分析了爆炸冲击波的内部传播特性、爆炸距离和加筋板位置对加筋板挠度和破坏模式的影响。有趣的是,随着远离距离的增加,挠度先减小后增大。此外,尽管加强筋对靶板的变形抗力有增强作用,但其往往会降低靶板的损伤容限。该研究为船舶、飞机等结构的抗爆设计提供了基础数据和理论支持。
图2舱内爆炸试验装置及有限元模型
图3试验及数值仿真板型
论文通过数值仿真阐述了爆炸冲击波在封闭舱室内的传播规律,如图4所示。
当TNT在舱室中爆炸后初始冲击波冲击侧板及试验装置的其他壁面,形成反射冲击波。此后,冲击波继续传播并在拐角处会聚,形成局部冲击波密度较高的集中区域。然后,冲击波再次汇聚到容器中心,形成高压区,并重复多次。由于舱内结构空间有限,反射冲击波形成的高压区基本上都在舱内中间,并在横舱壁上反射。它在横舱壁之间的空间反复反射,最后舱室内的压力趋于均匀。
图4舱内爆炸过程中冲击波的演化过程
论文通过分析靶板在相同药量不同爆距的舱内爆炸载荷作用下的最终挠度总结出了靶板的最终挠度大小与爆距大小之间的关系。舱内爆炸载荷主要由两部分组成:1初始冲击波;2反射冲击波。如图5所示,随着靶板与爆源距离的增加靶板的挠度先增小后增大。这是因为在反射冲击波在靶板的变形过程中起主导作用,初始作用阶段反射冲击波较小因此靶板的挠度较小未到达峰值。随着靶板与爆源之间间距的变大,初始冲击波的能量大大减小但此时冲击波的入射角却进一步增大。因此,在一定范围内,靶板受到后续的反射冲击波的作用逐渐增大,从而使靶板挠度进一步增大。
图5爆距对靶板变形的影响
论文的实验结果也表明,加筋板的最大变形相对低于非加筋板如图6所示。然而,增加加强筋的数量并没有显著改变靶板的变形挠度。由于加强筋的薄弱,弯曲和薄膜对提高板的抗爆能力的作用是有限的。当挠度较小时,板的抗爆作用主要通过弯曲来实现,加强筋对板的抗爆作用明显。相反,一旦挠度增加,薄膜效应在板的抗爆性中变得占主导地位,这显著降低了加强筋的加强效果如图7所示。因此,加劲肋对靶板的变形模式有一定的影响,但主要是在变形初期,对最终变形模式的影响并不大。
图6不同TNT当量加强筋的数量对加筋板的挠度的影响
图7不同加筋数量的加筋板的失效模式
综上,舱内爆炸作用下加筋板的动力响应主要有以下几个特点:(1)舱内爆炸载荷具有多峰值、长持续时间的准静态压力作用。(2)加强筋的存在可以减小靶板在内部爆炸载荷作用下的最大变形。(3)在爆炸载荷作用下,加筋板的存在降低了板的破损极限。
本文相关成果以《Dynamicresponseofstiffenedplateunderinternalblast:Experimentalandnumericalinvestigation》为题发表在船舶海洋领域顶级期刊《MarineStructures》上。北京理工大学任宪奔,刘凯为共同通讯作者;北京理工大学李营教授为论文第一作者,方岱宁院士、肖登宝教授等为论文合作者。