水下近場(chǎng)及接觸爆炸作用下雙層底結(jié)構(gòu)損傷試驗(yàn)研究

楊棣，姚熊亮，張瑋，祝祥剛

(1.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001;2.海軍裝備研究院，北京 100161)

水下近場(chǎng)及接觸爆炸作用下雙層底結(jié)構(gòu)損傷試驗(yàn)研究

楊棣1，姚熊亮1，張瑋2，祝祥剛1

(1.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001;2.海軍裝備研究院，北京 100161)

針對(duì)水面艦艇底部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雙層底縮比試驗(yàn)?zāi)Ｐ?據(jù)沖擊因子設(shè)定水下近場(chǎng)及接觸爆炸工況，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析，總結(jié)雙層底結(jié)構(gòu)在近場(chǎng)及接觸爆炸載荷作用下的損傷模式;采用體積等效原理對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ土鸭y處板厚變化分析，確定Q235鋼在雙層底模型拉伸破壞模式中的斷裂應(yīng)變;為艦船抗爆抗沖擊的理論及數(shù)值研究提供參考數(shù)據(jù)。

雙層底;近場(chǎng)爆炸;接觸爆炸;損傷模式;斷裂應(yīng)變

雙層底為艦船底部典型結(jié)構(gòu)，研究其在水下爆炸載荷作用下的毀傷模式對(duì)艦船水下抗爆抗沖擊性能具有重大意義。由于分析雙層底結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)不僅涉及高應(yīng)變率、材料幾何非線(xiàn)性問(wèn)題，還涉及復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式、邊界條件等，理論分析較困難。目前僅對(duì)如方板、矩形板、圓板［1－2］等簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)有理論解析解，而對(duì)稍復(fù)雜的加筋板只能采用能量守恒原理建立變形、破損的近似估算公式［3］。

數(shù)值研究方法因易操作、研究周期短、經(jīng)費(fèi)投入低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于艦船復(fù)雜結(jié)構(gòu)的抗沖擊研究［4－6］。針對(duì)雙層底結(jié)構(gòu)，Liu等［7］通過(guò)LS－DYNA分析獲得考慮彈塑性的雙層底模型的剩余強(qiáng)度。Yu等［8］通過(guò)LSDYNA分析、預(yù)測(cè)雙層底結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下的結(jié)構(gòu)損傷形式，獲得損傷過(guò)程中不同結(jié)構(gòu)耗散能量。由于數(shù)值仿真研究均在已知模型所用材料特性及模型結(jié)構(gòu)破壞衡準(zhǔn)的前提下，通過(guò)有限元軟件預(yù)測(cè)雙層底結(jié)構(gòu)的破壞形式，故需試驗(yàn)對(duì)所需衡準(zhǔn)及損傷模式進(jìn)行驗(yàn)證。朱錫等［9］對(duì)在接觸爆炸載荷作用下加筋板損傷模式進(jìn)行探討。Villavicencio等［10］通過(guò)沖擊試驗(yàn)儀對(duì)雙層底結(jié)構(gòu)加載，獲得雙層底結(jié)構(gòu)的變形損傷過(guò)程。Wang等［11］利用沖擊試驗(yàn)儀模擬擱淺及碰撞時(shí)雙層底結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂現(xiàn)象。對(duì)雙層底結(jié)構(gòu)在水下爆炸載荷作用下的損傷特性試驗(yàn)仍處于空白。

鑒于以上原因，本文試驗(yàn)針對(duì)艦船底部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雙層底縮比模型，據(jù)近場(chǎng)非接觸及接觸爆炸沖擊因子定義設(shè)計(jì)三個(gè)工況，對(duì)雙層底結(jié)構(gòu)在水下近場(chǎng)及接觸爆炸載荷作用下的力學(xué)損傷特性進(jìn)行研究，為后續(xù)理論及數(shù)值仿真提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于實(shí)船水下爆炸試驗(yàn)價(jià)格昂貴、可操作性差、不適用于基礎(chǔ)理論研究。因此據(jù)實(shí)船雙層底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雙層底縮比試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

1.1 模型設(shè)計(jì)

據(jù)典型艦船雙層底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的雙層底縮比模型見(jiàn)圖1、圖2。雙層底板架尺寸為2160 mm×1 920 mm，雙層底高200 mm，其中外底板厚3 mm，內(nèi)底板厚2 mm，內(nèi)、外底間縱橫兩方向各均布6個(gè)主肋板及縱桁，將內(nèi)、外底板分成6×6=36個(gè)小板格，每個(gè)小板格長(zhǎng)寬為360 mm×320 mm，主肋板厚2 mm，縱桁厚3 mm，內(nèi)、外底板在縱向均布18根加強(qiáng)筋，外底加強(qiáng)筋為扁鋼3 mm×25 mm，內(nèi)底加強(qiáng)筋為扁鋼3 mm×30 mm。

圖1 雙層底外底布置圖Fig.1 The layout of the outer bottom of the double bottom

圖2 雙層底內(nèi)底布置圖Fig.2 The layout of the inner bottom of the double bottom

圖3 雙層底試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 The test model of double bottom

試驗(yàn)工況的沖擊因子達(dá)10時(shí)模型在水下爆炸載荷作用下將產(chǎn)生劇烈的剛體運(yùn)動(dòng)，與雙層底在艦船上相鄰艙段對(duì)其約束的邊界條件不符。為減小試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膭傮w運(yùn)動(dòng):①采用壓載方式增加模型質(zhì)量。即在雙層底縮比模型上方0.4 m處設(shè)置加筋板形式平臺(tái)，在平臺(tái)上方建立一水密艙室結(jié)構(gòu)，放置沙袋壓載。既可實(shí)現(xiàn)預(yù)定壓載，又能防止直接在內(nèi)底板上壓載影響沖擊響應(yīng);②在雙層底模型外底兩側(cè)設(shè)置加筋翼板，增大水對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母郊幼枘?，減小雙層底模型剛體運(yùn)動(dòng)。雙層底試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)布置圖見(jiàn)圖3。

1.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)分為三個(gè)工況，用SR68.4 TNT球狀炸藥，藥量均為2 kg，爆距分別為1.0 m，0.5 m，0.14 m，爆點(diǎn)位置在板架正中心，見(jiàn)圖4。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)初始階段獲得試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭亓亢?，利用?dòng)量定理確定在試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕戏剿芘撌覂?nèi)的壓載重量，用于模擬設(shè)備及其它設(shè)施的壓載作用，減少模型因水下爆炸載荷引起的剛體運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)時(shí)放入預(yù)設(shè)質(zhì)量沙袋后調(diào)試設(shè)備，設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)，利用高壓電引爆炸藥進(jìn)行試驗(yàn)。

圖4 試驗(yàn)工況示意圖Fig.4 The schematic diagram of the tests'condition

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

水下爆炸分近、中、遠(yuǎn)場(chǎng)爆炸，以爆距及TNT當(dāng)量藥包半徑之比(=R/r)作判據(jù)，≤30為近場(chǎng)爆炸，30≤≤110為中場(chǎng)爆炸≥110為遠(yuǎn)場(chǎng)爆炸。

2.1 工況1結(jié)果及分析

工況1的沖擊因子為1.4，屬近場(chǎng)非接觸爆炸。雙層底模型產(chǎn)生塑性大變形，將雙層底按圖5位置繪制圖6坐標(biāo)系，變形撓度見(jiàn)表1、表2。從中選取Y軸坐標(biāo)為800 mm、960 mm、1120 mm三位置處撓度值繪制撓度曲線(xiàn)對(duì)比見(jiàn)圖7，其中橫軸所取點(diǎn)為主肋板及板格中心點(diǎn)。

由圖5看出，左右加筋翼板變形并不對(duì)稱(chēng)，由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ头枪潭ㄓ谒?，漂浮于水中，真?shí)模擬船體底部結(jié)構(gòu)在水中航行時(shí)的狀態(tài)，雙層底上部艙壁結(jié)構(gòu)中放置的沙袋導(dǎo)致藥包引爆后雙層底結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)具有一定隨機(jī)性，使模型的整體位移未得到有效控制，誤差不可避免。加筋翼板作為雙層底試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷妮o助結(jié)構(gòu)為減少雙層底剛體運(yùn)動(dòng)、增加附加阻尼，因此加筋翼板損傷不能作為試驗(yàn)觀測(cè)的主要目的。故主體結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)問(wèn)題，產(chǎn)生偏差不大，次要結(jié)構(gòu)由于不可控因素及制造過(guò)程中工藝問(wèn)題導(dǎo)致產(chǎn)生些許偏差，可以接受。

由圖7看出，雙層底外底在水下爆炸載荷作用下整體產(chǎn)生大變形。對(duì)比x軸坐標(biāo)分別為900 mm、1 080 mm、1 260 mm三點(diǎn)撓度值，1 080 mm縱桁處撓度值較900 mm，1 260 mm縱桁旁小板格中心處撓度值小，因當(dāng)載荷相對(duì)較弱時(shí)縱桁將作為小板格的強(qiáng)邊界支撐限制面板變形。因此，在近場(chǎng)非接觸爆炸載荷作用下雙層底結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生塑性大變形同時(shí)伴隨明顯的板格局部變形。

圖5 工況1外底變形示意圖Fig.5 The deformation diagram of the outer bottom in condition 1

圖6 坐標(biāo)位置示意圖Fig.6 The sketch diagram of coordinates

圖7 外底撓度曲線(xiàn)對(duì)比圖Fig.7 The comparison chart of the outer bottom's deflection curve

表1 工況1外底板撓度值(單位:mm)Tab.1 The deflection of the outer bottom in condition 1(Unit:mm)

表2 工況1內(nèi)底板撓度值(單位:mm)Tab.2 The deflection of the inner bottom in condition 1(Unit:mm)

由表2選y軸坐標(biāo)為960 mm的縱桁處內(nèi)、外底撓度變形值繪制撓度曲線(xiàn)對(duì)比圖見(jiàn)圖8。由于水下爆炸載荷首先直接作用于外底板，再通過(guò)連接內(nèi)、外底板的主肋板及縱桁將載荷傳遞至內(nèi)底板，故主肋板、縱桁出現(xiàn)塑性變形，并在其橫剖面內(nèi)受壓，局部位置出現(xiàn)動(dòng)力屈曲，見(jiàn)圖9。因此，在近場(chǎng)非接觸爆炸載荷作用下雙層底結(jié)構(gòu)中主肋板、縱桁會(huì)出現(xiàn)塑性變形及動(dòng)力屈曲兩種相互耦合的損傷模式。

圖8 內(nèi)、外底撓度曲線(xiàn)對(duì)比圖Fig.8 The comparison chart of the out bottom's and the inner bottom's deflection curves

圖9 高腹板動(dòng)力屈曲Fig.9 The dynamic buckling of the high web

由圖10、圖11看出，內(nèi)底板局部位置在邊界附近出現(xiàn)皺折現(xiàn)象。由于縱桁、主肋板、雙層底邊界作為小板格支撐邊界的同時(shí)此處板格彎曲受壓形成動(dòng)力屈曲。

圖10 內(nèi)底板屈曲Fig.10 The dynamic buckling of the inner bottom

圖11 邊界處內(nèi)底板屈曲Fig.11 The dynamic buckling of the inner bottom at the border

綜合上述現(xiàn)象，在近場(chǎng)非爆炸載荷作用下，雙層底會(huì)出現(xiàn)三種損傷模式，即整體塑性大變形同時(shí)局部板格出現(xiàn)塑性小變形;主肋板、縱桁塑性變形同時(shí)伴隨動(dòng)力屈曲;邊界附近內(nèi)底板動(dòng)力屈曲。

2.2 工況2結(jié)果及分析

工況2沖擊因子為2.8，屬近場(chǎng)接觸爆炸。雙層底模型整體產(chǎn)生塑性大變形，且在外底沿主肋板方向出現(xiàn)裂紋，見(jiàn)圖12。主肋板及縱桁出現(xiàn)動(dòng)力屈曲，見(jiàn)圖13。

圖12 工況2外底裂紋示意圖Fig.12 The crack diagram of the outer bottom in condition 2

圖13 縱桁動(dòng)力屈曲Fig.13 Dynamic buckling of girders

對(duì)比工況1、2損傷模式表明，當(dāng)水下爆炸載荷足夠大時(shí)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生斷裂，且多集中于板格邊緣，因板格邊緣受到約束，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。測(cè)量裂紋邊緣板厚知其它部位減薄現(xiàn)象明顯，屬典型的拉伸型斷裂。且外底發(fā)生斷裂部位均沿主肋板方向，在垂直裂紋方向有一較大拉伸變形，而在沿裂紋方向拉伸變形較小。因此，可據(jù)體積不變?cè)?，采用單向極限應(yīng)變假設(shè)分析雙層底結(jié)構(gòu)斷裂應(yīng)變［12］，即

式中:t，t1為變形前后板殼厚度［12］。

由式(1)知，雙層底結(jié)構(gòu)斷裂應(yīng)變需由殼板變形前后厚度獲得，因此，試驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中將裂紋按各自長(zhǎng)度分別等分測(cè)量獲得各測(cè)點(diǎn)處板厚，見(jiàn)表3。

將表3中裂紋厚度按式(1)進(jìn)行處理，獲得各裂紋處斷裂應(yīng)變見(jiàn)表4。由于試驗(yàn)加工時(shí)會(huì)造成模型有初始損傷，且沖擊載荷非均布會(huì)導(dǎo)致裂紋處各點(diǎn)受力不同及因裂紋處局部殼板出現(xiàn)褶皺對(duì)測(cè)厚結(jié)果影響，故將表4中所有斷裂應(yīng)變值求和取平均消除一定誤差。由此得Q235鋼的雙層底結(jié)構(gòu)斷裂應(yīng)變?yōu)?.40。

表3 工況2雙層底的各裂紋處板厚(單位:mm)Tab.3 The thickness along the crack of double bottom in condition 2(unit:mm)

表4 工況2雙層底外底各裂紋處斷裂應(yīng)變Tab.4 The fracture strain of double bottom along the crack in condition2

綜上所述，在近場(chǎng)接觸爆炸作用下，雙層底結(jié)構(gòu)整體將在產(chǎn)生塑性大變形的同時(shí)，局部板格邊緣出現(xiàn)拉伸斷裂破壞。由于以往的試驗(yàn)均針對(duì)光板及加筋板結(jié)構(gòu)，而本次試驗(yàn)則是艦船底部結(jié)構(gòu)，不僅具有加筋板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，且具有主肋板及縱桁連接內(nèi)、外底的結(jié)構(gòu)形式，工況2下雙層底結(jié)構(gòu)損傷模式即外底在沿主肋板方向出現(xiàn)裂紋而未在沿加強(qiáng)筋方向出現(xiàn)裂紋，因此變更了對(duì)水面艦船底部結(jié)構(gòu)破壞形式的認(rèn)知。裂紋沿板格邊緣充分發(fā)展、使整個(gè)板格脫落、形成破口，因此開(kāi)裂判據(jù)為水面艦船底部結(jié)構(gòu)在水下爆炸載荷作用下形成破口提供了斷裂衡準(zhǔn)，也為數(shù)值仿真提供了參考資料。

2.3 工況3結(jié)果及分析

工況3的沖擊因子為10時(shí)屬接觸爆炸。雙層底模型整體出現(xiàn)塑性大變形，外底、內(nèi)底均產(chǎn)生破口，內(nèi)底板在破口周?chē)霈F(xiàn)花瓣開(kāi)裂現(xiàn)象，見(jiàn)圖14、圖15。

圖14 工況3破口外部示意圖Fig.14 Thediagram of the outer crevasse in condition 3

圖15 工況3破口內(nèi)部示意圖Fig.15 Thediagram of the inner crevasse in condition 3

雙層底外底處破口邊緣位置均沿主肋板及縱桁，而破口斷面處整齊無(wú)明顯減薄現(xiàn)象。由此推斷，由于主肋板及縱桁對(duì)內(nèi)、外底板的強(qiáng)支撐，沖擊載荷作用下此處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致連接處反為薄弱環(huán)節(jié)，最先達(dá)到臨界剪切應(yīng)變而斷裂。即雙層底模型在接觸爆炸載荷作用下產(chǎn)生沖塞效應(yīng)，破口在結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱處主要因發(fā)生剪切失效形成。

觀察雙層底內(nèi)底處破口邊緣看出，在板架正中4個(gè)板格處形成的破口邊緣與雙層底外底破口邊緣斷面相同;雙層底內(nèi)底先出現(xiàn)以主肋板及縱桁作為邊界的剪切破壞形成破口后內(nèi)底沿板格邊界發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象，即裂紋從破口邊緣向內(nèi)底四周擴(kuò)展，造成周邊板格拉伸破壞。由圖15內(nèi)底未開(kāi)孔處看出，開(kāi)孔處裂紋數(shù)與未開(kāi)孔處裂紋數(shù)相似，由此可知，內(nèi)底開(kāi)孔導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減弱并非產(chǎn)生開(kāi)裂的主要原因。反而因沖擊載荷作用下雙層底由于剪切破壞產(chǎn)生破口后，大部分能量隨破口消散，剩余能量沿內(nèi)、外底的連接構(gòu)件傳遞給內(nèi)底，使其沿結(jié)構(gòu)薄弱處繼續(xù)變形開(kāi)裂，即拉伸破壞。

綜合工況2、3現(xiàn)象知，接觸爆炸載荷作用、不同沖擊因子情況下，雙層底模型均產(chǎn)生塑性大變形，但沖擊因子為2.8時(shí)雙層底外底板格邊緣產(chǎn)生裂紋，而沖擊因子為10時(shí)則內(nèi)、外底均因剪切破壞形成破口，同時(shí)內(nèi)底開(kāi)裂，即形成拉伸破壞，此由雙層底結(jié)構(gòu)區(qū)別于加筋板結(jié)構(gòu)的特殊性導(dǎo)致。

3 結(jié)論

本文針對(duì)水面艦艇底部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雙層底縮比模型，實(shí)施水下近場(chǎng)及接觸爆炸損傷試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)雙層底結(jié)構(gòu)在近場(chǎng)及接觸爆炸載荷作用下的損傷模式，確定Q235鋼在雙層底模型拉伸破壞模式中斷裂應(yīng)變的同時(shí)為后續(xù)理論計(jì)算及數(shù)值仿真提供參考依據(jù)，結(jié)論如下:

(1)水下近場(chǎng)及接觸爆炸下雙層底結(jié)構(gòu)典型損傷模式包括塑性變形、動(dòng)力屈曲及剪切或拉伸破壞形成破口。實(shí)際工況通常為幾種模式的耦合，而某種模式占主要地位。近場(chǎng)爆炸載荷作用下雙層底以整體塑性大變形為主;接觸爆炸載荷下雙層底損傷模式以整體形成塑性大變形及破口為主。載荷處于兩者之間時(shí)，雙層底結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性大變形、板格邊緣產(chǎn)生裂紋。以上三種情況均會(huì)伴隨肋板、縱桁等構(gòu)件的動(dòng)力屈曲損傷。

(2)由于板格邊緣受到約束，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此在水下爆炸載荷下裂紋通常產(chǎn)生在板格邊緣。裂紋沿板格邊緣充分發(fā)展時(shí)使整個(gè)板格脫落，形成破口。板架結(jié)構(gòu)破口多以板格邊緣為邊界。

(3)沖擊載荷作用于結(jié)構(gòu)、載荷達(dá)到一定大小后，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生拉伸或剪切破壞;剪應(yīng)變超過(guò)結(jié)構(gòu)的抗剪能力、正應(yīng)變未超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí)為剪切破壞，斷面光滑，斷面法向與所受剪力方向垂直。反之則為拉伸破壞，此時(shí)斷面粗糙，斷面方向無(wú)規(guī)律。兩種破壞形式在實(shí)際結(jié)構(gòu)破壞中相互依存，密不可分，其中之一占主要位置而已。

(4)通過(guò)對(duì)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果分析，獲得由Q235鋼加工的雙層底結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉伸變形失效時(shí)斷裂應(yīng)變?yōu)?.40，此斷裂衡準(zhǔn)可作為艦船底部結(jié)構(gòu)破壞數(shù)值仿真中材料參數(shù)的設(shè)定依據(jù)。

(5)主肋板、縱桁面內(nèi)受壓時(shí)會(huì)出現(xiàn)動(dòng)力屈曲。由于縱桁、主肋板、雙層底邊界作為小板格的支撐邊界，內(nèi)底板橫剖面受中面力出現(xiàn)皺折，使雙層底位置結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，喪失部分承載能力。

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LIU Run－quan，BAI Xue－fei，ZHU Xi，et al.Breach experiment researchofvesselelementstructuremodels subjected to underwater contact explosion［J］.Journal of Naval University of Engineering，2001，13:41－46.

Experimental on double bottom's structural damage under underwater near-field and contact explosions

YANG Di1，YAO Xiong－liang1，ZHANG Wei2，ZHU Xiang－gang1
(1.Harbin Engineering University，College of Shipbuilding Engineering，Harbin 150001，China; 2.Naval Academy of Armament，Beijing 100161，China)

A double bottom＇s experiment model was designed based on the surface ship＇s bottom structure，under the simulated working conditions of underwater near－field and contact explosion according to corresponding impact factors. Then the damage modes of the double bottom structure were summarized through the analysis of experiments＇results.The fracture tensile strain of the double bottom model made of steel Q235 was obtained by virtue of the principle of equivalent volume and by analyzing the change of crackle thickness in experimental model.The results provide the reference data for ship＇s anti－shock and anti－explosion＇s theoretical and numerical research.

double bottom;underwater near－field explosion;contact explosion;fracture strain

U611.41

A

10.13465/j.cnki.jvs.2015.02.028

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51279038);國(guó)家安全重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(613157)

2014－04－04修改稿收到日期:2014－08－29

楊棣女，博士生，1989年2月生

姚熊亮男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，1963年3月生