晏卫东，马晓明，刘延青，张 戈，魏 琳，郭 君，张阿漫

（1.中国人民解放军某部，辽宁 葫芦岛 125000；2.哈尔滨工程大学，黑龙江 哈尔滨 150001）

0 引言

反舰导弹武器技术的发展，使得舰船在作战环境中越来越容易受到反舰导弹武器的攻击。大部分反舰导弹武器会在舰船结构附近或舱室内发生爆炸，冲击波超压峰值极高，会对舰船结构产生巨大的破坏作用。因此，研究反舰导弹武器空中爆炸载荷特性及其对船体结构毁伤机理对于提高舰船结构在战斗环境中的生命力有很重要的意义。国内外研究人员对舰船结构在爆炸载荷作用下的动态响应进行了理论和试验研究，研究结果大多表明近场爆炸载荷会对舰船局部结构产生“终点效应”，即舰船结构受到攻击后发生最大变形以及毁灭性破坏［1，2］。此类研究特点是研究成果都是建立在特定的舰船结构以及特定载荷基础之上，在应用范围和使用条件方面存在较大差异，在实际应用过程中会产生不同程度的误差，并且公式计算的结果并不能说明结构的实时动态响应。本文应用应力波及塑性动力学理论计算了船体板架结构在近场空爆载荷作用下的实时变形，得到了一些有实际工程意义的结论。

1 无限介质近场爆炸载荷特性

炸药在空中爆炸时，瞬时转变为高温高压的爆炸产物，爆炸产物在空气中膨胀，目标离爆心越近，所受冲击力越大，但是如果所受作用面积较小，尽管冲击波压力很高，破坏作用也只带有局部性。

2 无限介质中爆炸载荷验证及正压区作用时间确定

2.1 载荷验证

由于空气近场爆炸载荷的破坏性极大，因而公开发表近空气自由场爆炸载荷的数据比较少，本文采用数值计算方法对爆炸载荷计算的准确性进行验证。应用多物理场非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA对TNT炸药在无限介质场中爆炸进行数值模拟计算，模拟计算的流场和药包的有限元模型如图1所示。

图1 流场及药包有限元模型图

根据实际仿真计算结果，经过试算、研究、分析，得到战斗部炸药和无限介质场的仿真模型和计算参数。

仿真计算的有限元网格划分质量直接影响到结果精度，本文采用逐层控制划分法对所需的无限介质场进行网格划分，以提高计算结果准确度。通过大量的仿真计算，得到战斗部炸药在无限介质场中爆炸时的冲击波传播规律和距爆心不同距离的无限介质场的压力时间曲线，如图2～图4所示。

从图2～图4可以看出，爆炸冲击波以球形波的方式由爆心向外在流场中传播，与爆心距离越大的位置，冲击波压力峰值越小，正压作用时间越大，此特点符合自由空气场中爆炸冲击波在空气中的传播规律。表1为不同距离无限介质场压力峰值经验公式计算值与数值计算值比较。

图2 不同时刻爆炸冲击波在空气中的传播

由表1可知，空气中近场爆炸产物在距离药包较近的位置产生极大的压力，初始阶段随着爆炸气体的体积膨胀，压力值衰减很快，随着膨胀体积的增大，压力衰减速度比初始阶段变慢，且为逐渐衰减到零的趋势。数值计算结果的特点与炸药空中爆炸物理过程定性符合，且经验公式计算值与数值模拟计算值误差约为10%左右，说明了计算方法的有效性。

图3 距爆心不同单元自由场压力时历曲线

图4 不同距离自由场压力时历曲线

表1 不同距离无限介质场压力峰值经验公式计算值与数值模拟计算值比较

2.2 正压区作用时间确定

应用经验公式确定正压区作用时间，如表2所示。由于其适用范围的限制，具有较大的计算误差。

表2 不同距离正压区作用时间经验公式计算值与数值模拟计算值比较

本文对数值计算结果采用数据拟合方法，得到正压区作用时间的回归计算公式，具体冲击波衰减规律计算公式参见文献［3］。

3 爆炸载荷作用下板架结构的变形

3.1 作用在板架结构的爆炸载荷计算

作用在板架结构的爆炸载荷计算与无限自由场爆炸载荷计算不同，当爆炸载荷作用在板架结构表面时，形成复杂的反射作用，具体计算方法采用文献［4，5］提供的方法。

3.2 板架初始破口的计算

由于载荷强度高、作用时间短，加上板架结构面积较小，可将舰船的板架结构近似看做加筋结构与板具有相同破坏模式，将加筋结构均摊到面板上采用等效板厚方法来处理。

3.3 板架变形计算

为了在简化问题的同时得到工程实际问题可以接受的结果，板架破口计算时，将舰船板架结构简化为轴对称问题，假设所关心区域为圆形，这样一来问题就简化为处理圆板问题［6，7］。

根据文献［7］研究内容，推导出正压作用时间内板架破口计算方法。板架挠度的计算分为塑性变形区的挠度计算和破口区的挠度计算。

4 算例验证

目前，空中近场接触爆炸实验数据资源不足，可参考比对的数据较少，破口半径经验公式值引用吉田隆［8］根据二战舰船破损资料的试验结果。本文采用上述方法，应用数值差分计算方法编制程序计算不同工况下船体结构变形数据，具体数据如表3所示。

本文的仿真计算结果与经验公式计算值相比数值较小，这是由于现代造船技术和金属材料生产技术比二战时期有所提升，使得舰船结构的总体强度和局部强度都有提高，从理论角度看方法是可行的。

反舰导弹战斗部在舰船舱室内部爆炸会给舰船局部结构造成严重破坏，2发以上的反舰导弹武器直接命中船体的不同部位，足以使一艘2 000t左右的舰船丧失或部分丧失战斗力，如果综合考虑火灾、战斗部破片及舰船技术装备破坏等因素，舰船的损毁情况会更严重，对舰船的战斗力破坏会更大。

表3 舰船板架结构等效板厚变形计算结果

从近场接触爆炸板架变形实验来看［9，10］，舰船板架结构的变形呈花瓣状开裂，花瓣状开裂部分会发生卷边，本文仿真计算并未考虑这些因素，其计算结构破口的挠度值稍偏大。

5 结论

本文采用仿真计算方法对某船体板架结构在无限介质中近场爆炸载荷作用下其动态响应进行了计算，主要结论如下：①通过理论指导在非线性有限元软件中建立了无限介质中近场爆炸载荷计算的有限元模型，从仿真计算结果分析来看，此方法的计算结果对开展舰船结构破坏研究工程实践具有指导意义；②舰船结构破坏动态响应计算的初始条件可采用应力波理论计算方法获得，有利于提高计算精度；③通过仿真计算与经验公式计算的对比分析，说明本文所建立的无限介质中近场爆炸载荷作用下舰船结构动态响应的计算模型，可作为开展舰船结构破坏研究工程实践中结构变形的估算方法。

［1］姚熊亮.舰船结构振动冲击与噪声［M］.北京：国防工业出版社，2007.

［2］Calder C A，Kelly J M，Goldsmith W.Projective impact on an infinite viscoplastic plate［J］.Int J Solid Structures，1971（7）：1143-1152.

［3］Henrych J.The dynamics of explosive and its use［M］.Oxford：Elsevier Scientific Publishing Company，1979.

［4］宁建国，王成，马天宝.爆炸与冲击动力学［M］.北京：国防工业出版社，2010.

［5］王礼立，应力波基础［M］.北京：国防工业出版社，2010.

［6］杨桂通，塑性动力学［M］.北京：高等教育出版社，2000.

［7］朱锡，白雪飞，张振华.空中接触爆炸作用下船体板架塑性动力响应及破口研究［J］.中国造船，2004，45（2）：43-50.

［8］吉田隆.二次世界大战初期日本海军舰船在炸弹攻击下的损伤实例分析［J］.船の科学，1990（5）：70-81.

［9］吴有生，彭兴宁，赵本立.爆炸载荷作用下舰船板架结构的变形与破损［J］.中国造船，1995（4）：55-61.

［10］刘润泉，白雪飞，朱锡.舰船单元结构模型水下接触爆炸破口实验研究［J］.海军工程大学学报，2001，13（5）：41-46.