复合壳体结构水下爆炸损伤特性研究.pdf
第2 8 卷第4 期 2 0 1 1 年1 2 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 .2 8N o .4 D e c .2 0 1 1 D O I 1 0 .3 9 6 3 /j .i s s n .1 0 0 1 - 4 8 7 X .2 0 11 .0 4 .0 0 8 复合壳体结构水下爆炸损伤特性研究 周方毅1 ’2 ,姜2 张可玉2 ,王兴雁2 ,詹发民2 1 .海军航空工程学院,烟台2 6 4 0 1 1 ;2 .海军潜艇学院,青岛2 6 6 0 4 2 摘要为研究复合壳体结构水下爆炸的损伤特性,分析了水中接触爆炸与非接触爆炸对目标的毁伤机 理,同时进行了量纲分析;以钢板分别与铝板、铜板、橡胶板等的复合结构为研究目标,利用大型有限元软件 I J s 卜D Y N A 对该复合结构水中接触爆炸进行数值模拟,得出了其应力场分布与位移变形值;最后对该复合壳 体结构水中接触爆炸进行了试验研究。研究结果表明水下船舶结构设计采用复合壳体将大幅提高其抗爆性 能。 关键词复合壳体;水下爆炸;结构损伤 中图分类号T Q 0 5 0 ;T B 3 3 ;T D 2 3 5 .1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 1 2 0 1 1 0 4 0 0 3 1 一0 6 S t u d yo nD a m a g eC a p a b i l i t i e so fM u l t i p l eH u l l sS t r u c t u r e u n d e rU n d e r w a t e rE x p l o s i o n Z H O UF a n g - y i l ”,J I A N GT a 0 2 ,Z H A N GK e y u 2 ,W A N G 瓜昭.y a h 2 ,Z H A NF a .r a i n 2 1 .N a v a lA v i a t i o nE n g i n e e r i n gI n s t i t u t e ,Y a n t a i2 6 4 0 11 ,C h i n a ; 2 .N a v yS u b m a r i n eA c a d e m y ,Q i n g d a o2 6 6 0 4 2 ,C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt os t u d yt h ed a m a g ec a p a b i l i t i e so fm u l t i p l eh u i hs t r u c t u r eu n d e ru n d e r w a t e re x p l o s i o n ,t h e 出哪a g em e c h a n i s mo fc o n t a c te x p l o s i o na n dn o n - c o n t a c te x p l o s i o nO i lt a r g e tW a ga n a l y z e da n da tt h eg a m et i m ea n a l y - z i n gt h ed i m e n s i o n a la n a l y s i s .T a k i n gt h ea r l t n o rp l a t ew i t ha l u m i n u mp l a t e ,c o p p e rp l a t e ,r u b b e rp l a t er e s p e c t i v e l y 鹤 t a r g e t .t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a gd o n et ou n d e r w a t e rc o n t a c te x p l o s i o no nt h i sm u l t i p l eh u l l ss t r u c t u r eb y 酗 D Y N A ,a n dg o ti t ss b e 8 8d i s t r i b u t i o na n dd i s p l a c e m e n t .A tl a s t ,t h et e s tr e s e a r c ho nd l l I T 嘴c a p a b i l i t i e so fm u l t i p l e h u l l ss t r u c t u r eu n d e ru n d e r w a t e re x p l o s i o nW a gt a k e n .T h er e s u l ts h o w st h a tt h ec a p a b i l i t i e so fr e s i s t i n ge x p l o s i o nw i l l i m p r o v eg r e a t l yw h e nu n d e rs h i p su 8 em u l t i p l eh u l l ss t r u c t u r e . K e yw o r d s m u l t i p l eh u l l s ;u n d e r w a t e re x p l o s i o n ;d a m a g eo fs t r u c t u r e 理论研究及试验证明由3 层材料复合而成,内 外层为金属,中间层使用抗爆炸冲击性能较好的硬 质聚氨酯泡沫塑料作为“软介质”的复合壳体结构 对装药侧向的爆轰作用有大幅的衰减,使装药作用 于壳体的能量减少;T E D E S C OJw 等人的研究也表 明不同分层材料组合能削弱冲击波的影响⋯。因 此,设想把这种复合结构应用于水下船舶,诸如潜 收稿日期2 0 1 l 0 6 - 0 1 作者简介周方毅 1 9 7 8 一 ,男,博士研究生,讲师,从事水下爆破理 论与实践研究, E - m a i l z h o u f a n g y i q d 1 6 3 .c o n l 。 艇、水下运载器等,以提高其抗爆性鲥2 l 。通过对 该结构的水下爆炸损伤特性进行理论分析、数值模 拟以及试验研究,验证了设想的可行性。 1 理论分析 1 .1 毁伤机理 水中接触爆炸对目标的毁伤,主要源自爆炸直 接作用对目标的破坏,同时还有水中冲击波的加剧 破坏作用。在接触爆炸载荷作用下,随着载荷的施 加,目标的破坏过程分为3 个阶段首先是凹陷阶 万方数据 3 2 爆破2 0 1 1 年1 2 月 段,在此阶段目标出现大的塑性变形而未断裂;其次 是凹陷圆盘化阶段,此阶段环向断裂出现,在第l 阶 段的凹陷处形成与目标脱离的圆盘状分离体,出现 初始破口;最后是裂纹扩展阶段,初始破口边缘的环 向应变达到最大,开始出现径向裂纹,最终形成花瓣 型的破口HJ 。 水中非接触爆炸对目标的破坏则主要是水下爆 炸冲击波和气泡脉动压力波共同作用的结果,作用 时间短,过程复杂。对于简单结构 如板、梁 在爆 炸作用下的变形分析,解析的能量理论一直是行之 有效的方法口】。就单一材料而言,由于大部分材料 抗拉强度极限低于抗压强度极限,在入射应力波给 定的前提下,从材料的破坏角度来考虑,破坏的效果 取决于材料的动抗拉强度与动抗压强度的比值。 但是,目前对于结构相对较为复杂的多层板壳 模型研究甚少H 引。对于不同材料组合而成的复合 壳体结构,在入射应力波给定的前提下,从硬介质到 软介质的界面上,透射波与反射波各异,从而净拉伸 应力不同。从材料的破坏角度来考虑,在自由面附 近,往往是拉伸波与压缩波发生干扰而使材料发生 破坏。由于反射的拉伸波与尚未反射的压缩波叠 加,在自由面造成净拉伸应力。当净拉伸应力超过 材料抗拉强度极限时,材料内将形成裂纹,严重时完 全破裂门J 。 1 .2 量纲分析 分析水中冲击波通过Ⅳ层复合壳体的反射透 射和衰减情形。假设N 2 ,无限水介质中非接触爆 炸,可知影响应力幅值大小的主要因素有【8 引 壳体外表面初始压力P o ;介质的密度P 。,P ;介 质中的音速C P I ’C 业;介质中应力波的传播衰减系数 a I ,a 2 ;介质厚度L l ,厶。 其中介质中的音速取决于材料的密度P 、弹性 模量E 以及泊松比口。所以,衰减后的应力可以表 示为 P £ 八P o ,P I ,P 2 ,C p I ,C p 2 ,£I ,厶,O t l ,屹 1 这里被定量为凡,因此可以写出一般函数关系 式为 八P £,P o ,P l ,P 2 ,q l ,c P 2 ,L l ,如,n l ,a 2 0 2 如果选择P 0 妒。、厶为独立变量,并把上式写成 仃的指数方程式,则有 仃 %2 b c ;l 嚷a 。l u 2 L 9 2 ‘∥hi 产j l 3 按照仃定理,函数式 3 可以写成无量纲函数 关系式 傍静店,%店, a l ,a 2 护⋯4 在材料类型一定的条件下,上式司写成 毒 zh 店,%店,鲁 ㈤ 在初始压力一定的条件下,上式简化为 R P o ‘F 笋 6 式中,P o 可根据如下库尔公式计算阳】 P 。- 5 3 3 百C I /3J .“1 3 1 0 5 P a l 5 7 i 0 0 7 8 7 ’ 经计算,可知函数F 每 为线性形式,见图l 。 图中,纵轴表示厚度比,横轴表示幅值比。这表明下 一层“软材料”厚度增大,衰减效果增强,后述试验 中将予以证明。 图1 函数拟合曲线图 F i g .1G r a p ho ff u n c t i o nf i t t i n g 2 数值模拟 2 .1 物理模型 以无限水介质中接触爆炸双层复合壳体为例, 建立力学物理模型,采用c m - g - 斗s 单位制。由于模 型是轴对称的,为减小计算量,建模时取1 /4 模型, 如图2 所示。 模型中,靶板为钢板分别与铜板、铝板及橡胶板 组合成的复合壳体,其中钢板体积为2 5c mx 2 5c m 0 .5c m ,铜板、铝板及橡胶板体积为2 5c m 2 5c m O .3c m 。7 5g 圆柱形,I N T 装药位于复合壳体中央 正上方,半径为1 .5B m ,装药密度为1 .6 2g /c m 3 。 2 .2网格划分 利用大型有限元程序 A N S Y SL S D Y N A 中 的S O L I D1 6 4 六面体单元分别对水、装药、复合壳体 进行网格划分,其中炸药、水采用欧拉网格划分,单 元使用多物质A L E 算法,复合壳体采用拉格朗日网 格划分,并且复合壳体与炸药、水之间采用耦合算 万方数据 第2 8 卷第4 期周方毅.姜涛.张可玉,等复合壳体结构水下爆炸损伤特性研究 3 3 法。网格全部采用映射画法。除对称面外其它面采 用无反射边界条件。网格划分如图3 所示。 图2 学物理模型 1 /4 模型 F i g .2 P h y s i c a lm o d e l 1 /4 图3 网格化分 F i g .3 G r i dm e s h 2 .3 本构方程 1 炸药爆轰产物的状态方程采用J W L 方程, 其公式如下 P A 一荆e 呐” B 一南 e 啦” 警 8 式中P 为爆轰产物的压力;V 是相对体积;E 是单位 体积炸药内能一、B 、R .、R 、m 为J W L 状态方程常数。 2 水冲击压缩时,采用G R U N E I S E N 状态方 程,其公式如下 。p o C Z , U , [ 1 - 一警 卢一笋】 1 _ s _ 1 p 。寿。,吾辱] Y o 掣 昱 9 水膨胀过程状态方程为 P P o C Z p . 7 0 q “ E 1 0 式中C 为地弘。曲线的截距;E 是单位体积内能; 肌是初始密度;s ,、S z 、s ,是“埤曲线斜率的系数; 7 。是G R U N E I S E N 状态方程参数;f i t 是对一阶体积的 修正,p p /p o l 。 3 对钢板描述均采用J o h n ”n c o o k 模型。 4 对铜板和铝板的描述均采用P l a s f i e - - K i n e - m a t i e 模型o 5 对橡胶的描述采用M o o n e y - - R i v l i n 模型。 2 .4 计算参数 计算过程中,T N T 、水以及靶板的参数分别列于 表1 、表2 和表3 。 表1T N T 的状态参数 T a h i e1P a r a m e t e r s0 f 哪 。怒Ⅵm麟.S-,,,4/g mG P a 兰R R m J ■m c Ⅲ。 1 G P a 。 16 470 0 0 3 7 1232 3 14 1 509 50 30 .7 1 0 1 0 表2 水的状态参数 T a b I e2P a r a m e t e r so fw a t e r 童鏖£ g 竺 一垒堑 0 2 516 4 7l9 2 10 .0 9 6 0 .3 5 钢板 铜板 铝板 橡胶板 78 30 .2 4 80 2 1 0 一一0 6 0 0 89 6 ~ 一4 7 .7 9 0 001 2 0 27 50 .3 3 007 6 一一01 4 5 12 00 .4 9 97C 】0 29 3 E 一0 6C m 17 7 E 一0 6 2 .5 计算结果 根据前述定义的物理模型及的有限元网格划 分,利用大型有限元程序 A N S Y SL s D Y N A 计 算,可得到复合壳体水下爆炸在不同时刻的应力状 态分布和位移图,分别如下所示。见图4 、图5 。 ;慧答嚣邺”“P u ’ 盅黜能艺鬻;僻k m 虹- - - O O l l8 7 9 1a te l e m 1 3 1 6 6 F r i a s e L e v e l s I1 8 8 e 一0 2 一 裟笔| 篡裂 淼;i j i 图4f 1 0 0U S 时靶板 5m m 钢板 3m m 钢板 应力场分布 F i g .4 D i s t r i b u t i o no fs t r e s sf i e l do ft a r g e t 5r a m 目L f f t l O rp l a t e 3m m a r m o rp l a t e w h e n £ 1 0 0u 8 万方数据 爆破2 0 1 1 年1 2 月 怒S - D Y 。嚣”⋯一1 。C o 。n t o u r 。sn f 。R e s 学馏嚣”’ 一 I3 4 9 9 7a t f l e m 15 l 5 8 图5t 1 0 0 I I S 时靶板 5m m 钢板 3m 皿钢板 位移图 F i g 5 D i s p l a c e m e n to ft a r g e t 5m ma r m J rp l a t e 十 3m ma /T f l O rp l a t e w h e n f _ 1 0 0 I I S 图4 、网5 分别是5m m 钢板与3m m 钢板组合 相当于8m m 厚的单层钢板 ,t 1 0 0u s 时的应力 状态分布图与位移变形图。 图6 、图7 分别是5m m 钢板1 j3m m 铜板组合, t 1 0 0I I S 时的鹰力状态分柑图‘o 位移变形图。 } r i n g eL e w l ’ L 5 一D Y N A ⋯r i n p u t 12 13 e0 2 1 。i m e ~ 1 0 。0 一.0 。2 “。,。。。. 。m 一_ J ⋯ 00 0 39 7 39 7a 1c k m 1 4 7 2 5 ⋯ 00 12 1 2 7 e l e m 13 5 4 7 1 .0 5 0 e 一0 2 图6 f - 1 0 0u s 时靶板 5m | n 钢板 3m m 铜板 应力场分布 F i g 6D i s t r i b u t i o no fs t r e s sh e l do ft a r g e t f 5m i l la /3 l l o rp l a t e 十3m mc o p p e rp l a t e w h e nt 1 0 0u s L S D Y N Au 9 e r i n p u t T I 一1 0 00 2 C o n t o u r 自o f R e s u l t a n tD i s p l a e e m e n t ⅢJ n 02 A 93 6 1a In o d e 1 6 4 8 0 m a x 12 6 6 4 te l e m 1 5 I5 8 厂] ■●- - 一■ 图7t 1 0 0U S 时靶板 5m m 钢板 3m m 铜板 位移图 F i g 7 D i s p l a c e m e n to ft a r g e tr 5m ma r //l o rp l a t e 3n l mc o p p e rp l a t e 、w h e nt 1 0 0i i s 图8 、图9 分别是5m m 钢板与3h i m 铝板组合 ‘ 1 0 0u s 时的应力状态分柿图与位移变形图。 ;⋯S - D ;Y l N ㈣Au s I ”””‘ 蛩搿岩嚣。l l v e 。S t r 。e s s ‘污黠 m a x 00 1 2 2 8 47a le l e m l 3 5 4 7 图8c - 1 0 0u s 时靶板 5m m 钢板十3m m 铝板 应力场分布 F i g 8D i s t r i b u t i o no fs t r e s sf i e l do ft a r g e t 5m ma l T n o rp l a t e 3m ma l u m i n u mp l a l e w h e n t 1 0 0U S ;慧些嚣帮⋯”1 .‘o 。n t 0 。u r .;装 黜 I 黼” m a x I3 8 95 7 ⅡIe l e m I5 I5 8 图9t 1 0 0U S 时靶板 5F i l m 钢板 3m m 铝板 位移图 F i g 9 D i s p l a c e m e n to ft a r g e t 5m ma r m o rp l a t e 3m ma l u m i n u mp l a t e 、w h e nt 1 0 0L S 图1 0 、图1 1 分别是5m m 钢板与3m i l l 橡胶板 组合,£ 1 0 0u s 时的应力状态分布图与位移变 形图。 { i 詈嚣⋯⋯”2 ㈨“r so f E r ⋯i ”, , , i v a tS t r e s s v - m r a i n 15 2 39 e0 7e l e m 1 4 3 4 7 J 一 日t m a x 0 0 120 9 77 _ ’P 】P m I3 1 4 7 口 图1 0 ’t 1 0 01 1 8 时靶板 5l l l m 钢板 3m m 橡胶板 应力场分布 F i g 1 0 D i s t r i b u t i o n0 fs t r e s sf i e l do ft a r g e t 5 “ a I T O O Fp l a t e 3m mr u b b e rp l a t e w h e nt 1 0 0u s 计算中,对铜板还采用J o h n s o n - - C o o k 模型进 行计算,其结果与采用P l a s t i c - - K i n e m a t i c 模型相 近。通过分析,可以发现复合壳体承压层 钢板 上的应力最大值接近,这与实际情况相吻合。但是, m .一■●J P 0 0 0 0 0 O O 0 O O 0 目8 9 O 7 5 2 0 7 4 2 9m勰帖帅跎“∞““ i点一 』一1 ●J j 0 0 n 0 0 0 0 0 0 彗】瑚抛m m蛳州螂啦川m撇 。I“* ,、■■__■ *}i i 3 7 O O 0 0 0 O O 0 O 0 0 k 卜 卜 卜 卜 卜 卜 卜 卜 卜 ‘ p m 9 8 8 9 9 9 9 O 0 4 ;6 4 2 0 8 6 4 2 5 i ,,9 B 7 6 4 3 2,, h■-0毽f■■■ H】【I I m mⅨⅨⅢn 0 0 Ⅲi ⋯Ⅲ L 一 一 一 一 一 一 一 一 “ “k k 弘“%k h 拈k “ i 6 6 6 ●9 7 6 4 2 ●9 Ⅲ2 1 0 6 5 5 5 5 5 j 4 F 1 l l 9 8 ,6 5 4 3 2 万方数据 第2 8 卷第4 期 周方毅,姜涛.张可玉,等复合壳体结构水下爆炸损伤特性研究 3 5 应力场分布存在较大差别。复合壳体位移变形从大 到小分别为铜板、钢板、铝板、橡胶板。可见,作为 缓冲层的橡胶板具有最佳的防护效果,其次为铝板。 ;盏驽H ⋯⋯”’ 翌等搿品删嚣n 嚣”‘ ⋯ O7 0 87 9 1me k m ■1 6 6 0 l 图1 1t 1 0 0U S 时靶板 5m m 钢板 3m m 橡胶板 位移图 F i g 1 1 D i s p l a c e m e n to ft a r g e t 5m m a l l n o rp l a t e 3 Ⅱl I Ⅱr u b b e rp l a t e w h e n t 1 0 0u 8 3 试验研究 选用的试验材料为钢板、铝板、铜板、橡胶板。 材料尺寸均为长宽 2 5 0m m 2 5 0m l T I 。根据试 验需要,钢板厚度取5m m ,铝板、铜板厚度为3m m , 橡胶板厚度分别为3m m 和1m m ,并将钢板分别与 铝板、铜板、橡胶板组成2 层复合结构靶板。 共设计了2 组对比试验,试验设计及试验结果 见表4 。1 、2 、3 、4 号试验的爆破效果分别见图1 2 、 图1 3 、图1 4 和图1 5 。其中,4 号试验中所用薄橡胶 板被震落。 试验可知,缓冲层“软材料”越厚,衰减效果越 好,与前述推导结论一致。但是,试验中选取铝板为 “软材料”时破坏程度最小,这与数值模拟结果有出 入,分析原因可能如下 表4 试验设计殛结果 T a b l e4T e s td e s i g na n dr e s u l t s 图1 2 钢板与铝板组合爆炸效果图 F i g .1 2E x p l o s i o ne f f e c to ft a r g e tf 5m i l la i /l l o rp l a t e 3m ma l u m i n u mo l a t e 图1 3 钢板与铜板组合爆炸效果图 F i g .1 3E x p l o s i o ne f f e c to ft a r g e tf 5m i l la l T n O l “ p l a t e 3m mc o p p e rp l a t e 设第1 层介质声阻抗为A .,下1 层介质声阻抗为 A 2 ,令n A ./A 2 ,n 称为声阻抗比;取m 1 一n /2 , m 称之为匹配系数。衰减效果取决于n ,n 越大衰减 越大;防护效果取决于m ,m 取值尚待研究‘⋯。 图1 4 钢板与厚橡胶板组合爆炸效果图 F i g1 4 E x p l o s i o ne f f e c to ft a r g e t 5m m8 F f f t o rp l a t e 3 m i l lr u b b e rp l a t e 图1 5 钢板与薄橡胶板组合爆炸效果图 F i g1 5 E x p l o s i o ne f f e c to ft a r g e t 5m m l t l T m o rp l a t e 1n m l r u b b e rp l a t e 取n 0 和n 一* 两种极限情况,即第2 层介质 为绝对刚体与真空时,可得到m 1 /2 和m 一一* , 可见m 的取值范围应为一m m 1 /2 。进一步 地,由于要达到衰减的目的,阻抗比必须大于1 ,故 万方数据 爆破2 0 1 1 年1 2 月 可知m 0 ,在此范围之内的某个值为最佳匹配值。 钢板与铜板的声阻抗比为1 .1 4 ,钢板与铝板的 声阻抗比为3 .1 6 ,钢板与橡胶板的声阻抗比为 3 9 .2 7 ,因此,三者的匹配系数值分别为一0 .0 7 、 一1 .0 8 和一1 9 .1 3 5 。虽然铝板的衰减系数小于橡胶 板,但试验中选取铝板为“软材料”时破坏程度最 小。因此设想,并不是衰减越大防护效果越好,对复 合结构中的“软材料”还有一定硬度要求,组合材料 应达到一个最佳匹配值。由此设想m 最佳取值范 围可能在一1 附近,但仍需进一步研究予以确定。 4结语 通过毁伤机理分析,运用有限元仿真技术及试 验研究相结合的手段对铝、铜、橡胶等材料作为“软 介质”的防护效果进行了研究,设想复合结构中应 具有一个最佳匹配值,证明了复合壳体结构具有良 好的抗爆性能。同时,为复合壳体结构的水下应用 提供了理论和技术上的支持。但是,由于试验相对 简单,仍需后续试验予以充分验证。下一步应通过 大量的数值模拟和试验研究,寻求具有最佳防护效 果的材料以及复合壳体的组合,还可以展开3 层复 合壳体结构水下爆炸损伤特性的研究,为水下船舶 结构设计提供理论和试验支持。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] T E D E S C OJW ,H A Y E SJR ,L A N D I SDW .D y n a m i c 陪 8 p o 舾eo fl a y e r e ds t r u c t u r e ss u b j e c tt ob l a s te f f e c t so fn o n n u c l e a rw e a p o n r y [ J ] .C o m p u t e r &S t r u c t u r e ,1 9 8 7 , 2 6 1 /2 7 9 - 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