水下爆炸载荷下舰船响应与毁伤研究综述

金 键, 朱 锡, 侯海量, 陈鹏宇, 吴林杰

(海军工程大学 舰船工程系, 湖北 武汉, 430033)

水下爆炸载荷下舰船响应与毁伤研究综述

金 键, 朱 锡, 侯海量, 陈鹏宇, 吴林杰

(海军工程大学 舰船工程系, 湖北 武汉, 430033)

水下爆炸载荷下舰船响应与毁伤研究对于水中兵器毁伤威力评估、舰船结构抗毁伤能力评估以及舰船生命力预报具有重要意义。水下爆炸载荷特性及对舰船响应与毁伤机理是该领域研究的2个重要部分。文中介绍了水下爆炸的过程、分类以及特征载荷; 重点围绕水下爆炸载荷下舰船不同的响应特性与毁伤模式, 对舰船动响应过程和毁伤机理的研究现状进行了详细论述; 简要综述了水下爆炸载荷下舰船响应与毁伤领域的诸多研究方法以及发展趋势; 并针对水下爆炸载荷下舰船响应与毁伤研究问题, 提出了建议与展望, 可为水下爆炸载荷下舰船响应与毁伤研究提供参考。

水下爆炸; 舰船; 动态响应; 毁伤机理

0 引言

随着现代水中兵器爆炸威力的不断提高, 现代舰船面临的生存威胁呈现出立体化、隐蔽化和精确化等特点。从1860年美国艾伯特开展的早期水下爆炸试验, 到二战后美国、前苏联等国利用俘虏船只开展大量水下爆炸试验, 再到 1948年库尔公开出版《水下爆炸》一书, 水下爆炸现象及其对舰船毁伤效应与舰船抗爆、抗冲击防护技术的研究已有百余年的研究历史, 取得了大量研究成果。英国、德国、意大利、法国、荷兰、韩国、日本和澳大利亚等国也较早开始了水下爆炸的相关研究。我国于上世纪90年代开始致力于水下爆炸的研究, 在十几年的发展过程中, 紧跟国际研究热点, 取得了丰硕的研究成果[1-9]。

水下爆炸载荷作用下的舰船响应与毁伤涉及流体力学、气泡动力学、爆炸力学、塑性力学、塑性动力学、结构力学、断裂力学、结构振动学、水弹性力学及计算机应用等众多学科及相互之间的交叉[10]。舰船响应与毁伤过程是复杂的非线性动态过程, 属大变形、强非线性问题(包括材料非线性、几何非线性和运动非线性), 其复杂程度不言而喻。文中综述了水下爆炸载荷和舰船响应与毁伤研究, 重点分析水下爆炸载荷下舰船动响应过程与毁伤机理, 同时简述了水下爆炸载荷下舰船响应与毁伤领域的诸多研究方法以及发展趋势,提出了相关建议与展望。

1 水下爆炸载荷下舰船响应与毁伤

1.1 水下爆炸载荷

水下爆炸过程伴随着诸多复杂的物理现象[11-13],包括装药爆轰、冲击波的产生和传播、爆轰产物的膨胀和滞后流的产生、气泡的脉动与溃灭、水射流的产生、区域空化和片空化等复杂的物理现象与过程, 因此舰船在遭遇水下爆炸时可能承受爆炸冲击波、滞后流、气泡脉动压力、水射流、空化载荷等多种载荷的毁伤作用。这些载荷在强度、静动态特性、空间分布和作用范围上均有较大区别, 对舰船的毁伤效应也各不相同。

当炸药在水中引爆后, 炸药内发生剧烈的化学反应, 并伴随高温高压的产生, 这个过程称作爆轰过程。化学反应的前沿称为爆轰波, 药包内的爆轰波传播至装药/水的分界面后, 向内传播稀疏波, 向外传播强压缩波形成向水中辐射的初始冲击波, 与空中爆炸相比, 由于水的可压缩性小, 自身变形耗能少, 对爆炸冲击波的传递效率高, 相同当量装药在水下爆炸的破坏威力远远大于空中爆炸。由于波的发散性和冲击波阵面处的耗散, 球面冲击波大概在10倍装药半径距离处降为初始压力的百分之一。初始冲击波的速度约为3～5倍的水中声速, 随着传播距离的增加逐渐降至水中声速, 冲击波自身也逐渐转变为声波。爆轰形成的高温高压气团排开附近水介质急剧膨胀形成近似球形的气泡, 但其膨胀速度滞后于初始冲击波, 略小于水中声速。初始冲击波扫过后, 由于气泡的膨胀, 水质点并不停止运动而继续向外扩散, 形成滞后流, 并对水中结构物形成冲击。爆轰气团内的初始压力远高于其所处环境的静水压力, 随着气泡半径的增加, 气团体积增大, 气泡内压力逐渐降低, 直到气泡内的压力降低至静水压力, 由于水的惯性, 气泡仍将“过膨胀”。一旦气泡的半径膨胀到最大尺寸, 周围的水便开始压缩气泡, 当气泡被压缩到最小半径后, 气泡将向外释放冲击波即第 1次气泡脉动压力。之后, 气泡的膨胀与压缩过程将继续循环直到气泡能量消耗完毕或在近水面被排出至大气中。然而, 水下气泡脉动过程中, 受到边界的影响, 气泡会出现非球形情况: 气泡在膨胀阶段被结构表面轻微地排斥开, 而在坍塌阶段被结构表面强烈地吸引, 这时在气泡内部将会形成一股射流, 这股射流产生于远离结构表面的一侧, 并且高速穿过气泡, 直到它撞击到气泡壁的另一侧, 水射流[14]类似“气泡锤”, 速度高、力量大, 易造成舰船结构的局部毁伤。

气泡在脉动的过程中间断性向外辐脉动压力, 第 1次气泡脉动产生的压力峰值大约是初始冲击波的 10%～20%, 而其持续时间远远大于初始冲击波。冲击波能量与气泡能量基本相当初始冲击波能约占炸药爆轰能的 53%, 气泡的能量约为爆轰能的 47%。冲击波载荷属于高频载荷, 往往造成结构的局部破坏, 而气泡脉动载荷为低频载荷, 其频率与舰船结构的低阶振动频率相近,因而通常造成舰船结构的总体“鞭状”响应, 对舰船的整体强度有很大的影响。冲击波载荷与气泡载荷联合作用下, 将对目标结构形成高频、低频和高低频复合载荷。

水下爆炸过程中, 气泡的脉动有可能受边界影响, 导致气泡失稳而形成气泡射流。同样, 冲击波也会受到某些边界的影响而产生特殊的物理现象。当冲击波传播至自由液面和结构湿表面时会向水中反射稀疏波, 附近水质点的入射压力波遇到反射稀疏波后, 压力波出现“截断”现象, 从而出现负压情况, 而海水不可能承受张力, 于是在附近水域形成空化区, 部分水域出现断层现象。冲击波反射形成的空化有 2种类型: 分别是局部空化和区域空化(或称片空化), 局部空化发生在流-固分界面上, 而片空化出现在近自由面附近,其覆盖面积相对较大。空化形成过程中, 爆炸能的部分能量以水势能的形式被存储, 当上抛的截出水层在重力和大气压作用下跌落闭合空泡区时,储蓄的爆炸能量以水锤压力波形式辐射出去。空化效应将对舰船结构产生二次加载作用[15-16]。

相比自由面对冲击波的反射, 海底遇到冲击波时也会发生反射[17], 反射稀疏波也会造成水中压力截断。由于海底介质的复杂性以及海底面的形状会导致复杂的反射波系, 在海底与目标结构物有一定距离的情况下, 海底反射波对其影响很小。

为了有针对性地研究水下爆炸对舰船的毁伤特性和相应的防护技术, 根据水下爆炸对目标物的主要作用载荷及其特性、舰船响应与毁伤模式及问题处理方法等, 将水下爆炸归纳为 4类:水下接触爆炸、水下近场爆炸、水下中场爆炸和水下远场爆炸。如图 1所示, 以水面舰船受到水下爆炸载荷作用为例, 详述其分类方法。

图1 水下爆炸的分类示意图Fig. 1 Schematic of underwater explosion classification

1) 水下接触爆炸情况下, 可理解为炸药直接作用在水下船体板处, 主要毁伤载荷为冲击波和爆炸产物, 两者共同作用下, 将使船体外板形成绝热剪切破坏, 从而形成局部破口损伤。

2) 水下近场爆炸情况下, 认为此时的气泡运动过程受到船体边界的影响, 气泡将失稳形成水射流。船体结构所受主要毁伤载荷为冲击波和气泡射流, 两者共同作用下, 船体结构呈现总体与局部的联合毁伤。

3) 水下中场爆炸情况下, 认为此时的气泡运动形态几乎不受船体边界的影响, 气泡脉动过程得到完全发展。对船体结构的主要毁伤载荷为爆炸冲击波载荷、气泡脉动载荷和空化载荷, 其中, 气泡脉动载荷会使船体产生总体的“鞭状”响应, 而冲击波载荷对舰体结构的局部毁伤效果有限, 因此, 此时的舰体结构以总体响应为主要破坏模式。

4) 水下远场爆炸情况下, 无论是冲击波还是气泡脉动压力, 都很难直接对船体结构产生明显的破坏作用, 主要需要考虑的是水下爆炸载荷对舰船内部设备和人员带来的冲击环境。

实际上, 无论何种水下爆炸情况, 其爆炸载荷都将对舰船内部设备和人员形成冲击环境, 且距离越近, 冲击环境越恶劣, 只是在较近爆距内,舰船结构的响应与毁伤问题更为突出。因此, 文中在水下远场爆炸情况下考虑其冲击环境问题。

1.2 水下接触爆炸作用下舰船响应与毁伤

水下接触爆炸情况下, 战斗部与舰船舷侧外板直接接触, 炸药的爆轰使舷侧外板撕开破口[18-20],从而对船体结构形成局部破口损伤, 进而降低整船的剩余强度。同时, 形成的结构碎片与战斗部碎片一道向内侵彻, 爆轰产生的高速破片也会对内部舱室产生严重破坏。

水下接触爆炸无疑是舰船结构所面临的最严重的毁伤载荷, 单发重型鱼雷的水下接触爆炸对一般的中型舰船(驱逐舰、护卫舰)造成的毁伤几乎是毁灭性的。大型舰船(航母)通常在水下舷侧设置多舱防护结构(防雷舱)以抵御鱼、水雷等水中兵器的接触爆炸。

图 2所示为多舱防护结构破坏过程示意图,其结构形式及防护机理通常表述为: 第1层为空舱, 给接触爆炸时的外板提供变形的空间, 并迅速衰减爆炸产生冲击波压力, 因而称为膨胀空舱;第 2层舱室一般为液舱, 使战斗部爆炸破片和外板破裂的二次破片在高速穿入液舱后速度迅速衰减, 因而称为吸收液舱; 第 3层舱室又为空舱,一方面供基本防御纵壁发生大变形吸能, 另一方面为基本防御纵壁破损坏后形成的冲击压力作第2次缓冲, 以保护防水纵壁免遭破坏。

图2 多舱防护结构破坏过程示意图Fig. 2 Schematic of failure process of multi-cabin protection structure

这方面的研究工作有模型试验[21-22]和数值仿真[23-25], 研究了多舱防护结构的破坏过程、载荷特性和防护机理。水下接触爆炸下首先会在舷侧外板上产生绝热剪切破坏, 爆轰产物将舷侧的弧形加筋板撕开破口, 形成结构碎片与战斗部碎片一道向内侵彻。与此同时, 爆炸产物开始膨胀,形成的爆炸冲击波分别向水中和膨胀空舱内传播,使外板破口发生径向扩展。由于水介质的惯性远大于空气介质, 爆炸产物在膨胀空舱内的扩散速度远大于水中, 产生“腔吸效应”, 大量爆炸产物灌入膨胀空舱, 形成准静态压力, 使之产生膨胀变形。因此, 作用于内层防护液舱的载荷包括高速破片、爆炸冲击波和准静态压力3种。其中,爆炸冲击波传播至液舱外板后将在舷侧空舱内发生正反射、马赫反射和角隅汇聚[26-27], 爆炸冲击波以及形成的一系列反射波联合准静态压力极易使液舱外板在边缘处产生撕裂, 因此, 有必要在板缘处予以加强。

冲击波载荷作用于防护液舱的过程中, 液舱外板首先在爆炸冲击波载荷作用下发生响应, 并引起板后水的扰动, 进而使液舱内板发生变形响应[28], 另外, 战斗部爆炸产生的初始冲击波透过前板和水介质作用于液舱后板, 使液舱后板产生向后的整体变形。高速破片作用于防护液舱过程中[29-35], 破片首先侵彻液舱外板, 其破坏模式为剪切冲塞破坏。由于高速破片的速度很高(约为2 000～2 500 m/s), 破片穿透液舱前板并接触水面的瞬间, 以撞击点为中心, 在水中形成向四周传播的、压力峰值巨大的球形激波, 单束激波作用于液舱后板将会使其产生局部蝶形变形, 而由破片群同时侵彻将产生多束激波, 在向前传播的过程中相互叠加[30], 使液舱后板产生区域性大变形。破片群在水中开坑, 其速度逐渐衰减, 破片的一部分动能转化为水的动能和势能, 产生大片空化区, 舱内水的运动空间不断压缩, 导致水对液舱后板的膨胀挤压作用不断加剧, 使液舱内各板鼓胀变形。因此, 在液舱中为水的膨胀适当预留空间或设置泄压孔是减轻空化压力的有效方法。另外, 在液舱中设置空气隔层[36-37]或安装消波装置[38]也能起到消弱冲击波的作用。

国外的大型舰船多舱防护结构在液舱内板和水密舱内板之间设有相对密布的加筋弧形竖隔板, 实际上是将多舱防护结构的水密舱设计成了大型夹芯结构, 以利用夹芯结构在力学性能上的优势。与等质量的单层梁、板结构相比, 由两块面板和芯层组成的夹芯结构的截面惯性矩、比刚度和比强度均较大, 具有非常优良的抗爆抗冲击性能, 因此在舰船防护结构领域具有重要的应用前景[39-46]。

1.3 水下近场爆炸作用下舰船响应与毁伤

水下近场爆炸是舰船实战中面临的概率最大的水下攻击。美国等西方国家非常重视水下近距爆炸载荷下对舰船的毁伤研究。美国海军在每一个财年都消耗巨资对已经退役和没有修理价值的舰船进行Sinkex试验(即沉船试验)。

各国水下近场爆炸实船试验多以鱼雷、水雷在船体船舯正下方爆炸作为主要研究工况, 这是因为船体下方的龙骨是船体最重要的承重结构,主要承受船体纵向弯曲力矩以保证舰船的总纵弯曲强度。正因为龙骨对舰体总体结构强度的重要性, 船体龙骨正下方的水下爆炸冲击载荷对舰体的毁伤效果最大, 各国也都是以龙骨冲击因子作为水下近场爆炸冲击强度的输入标准。美国在20世纪初对满载排水量分别为 8 040 t、9 200 t的DD973、DD992两艘驱逐舰使用单枚MK48重型鱼雷在船体船舯正下方进行了水下近距爆炸试验,两艘驱逐舰均被炸沉。由此可见水下近距爆炸的惊人威力。

以水面舰船船舯正下方的水下近场爆炸为例, 对该工况下水下爆炸载荷和船体结构的毁伤机理进行分析。爆炸发生后, 如图3(a)所示, 冲击波以球面波的形式向外传播[47-48], 并首先作用于船舯船底板, 爆炸冲击波一方面将使船舯底部产生局部破坏, 另一方面, 又会联合气泡的膨胀运动使船体发生整体的中拱变形。其整体中拱变形的原因是: 1) 冲击波随传播距离的增加而衰减,在船舯处的压力峰值远大于船艏和船尾; 2) 水下气泡的在船舯处膨胀将驱动附近水质点的运动,使船舯具有向上的运动速度。

图3 水下近距爆炸对舰体的毁伤过程Fig. 3 Ship damage process under near-field underwater explosion

船体的局部破坏与整体的中拱变形是相互影响的: 一方面, 局部破口会降低船体梁的中剖面惯性矩, 从而影响到船体梁的总体强度; 另一方面, 总体的中拱变形反过来也会加剧船舯底部局部裂纹的扩展。张振华等人[49-50]通过船体梁水下近距爆炸模型试验发现: 船体梁总体中拱毁伤的主要因素是水爆冲击波入射波和反射波的合力在船舯产生的弯矩所造成的, 因其时程曲线近似“刀锋”而被称为“刀锋效应”。根据爆炸载荷水下压力的变化特点可知, 冲击波正压过后, 由于气泡的膨胀将使水质点压力衰减至负超压段(水质点处的绝对压力减去静水压力)。随着冲击波传播距离的增加, 船艏、船尾开始受到冲击波的正压作用, 而此时的船舯底部已进入负超压区域。因此, 在船体仍处于中拱状态时, 由于正负压混合作用于船体, 使其已经开始有中垂变形的趋势[51]。当气泡由膨胀进入收缩运动状态后, 船体停止中拱变形。由于船舯部的水被气泡排开, 无法为船体的船舯处提供足够浮力, 在自身重量以及上述负压场的作用下, 船体产生总体的中垂破坏[52](如图 3(b))。

在气泡由最小半径进入二次膨胀阶段后, 由于船底板的存在, 气泡发生失稳形成高度射流其冲击强度基本与冲击波相当。在水射流的作用下,船体将再次产生向上的中拱破坏(如图3(c))。对于气泡射流的形成条件, 王诗平[53]等人提出: 当气泡位于船底板正下方时, 距离参数 γ(爆距与气泡半径的比值)过小时, 气泡表面将贴住船体, 气泡射流无法完全发展; 随着距离参数的增加, 气泡射流速度先增大后逐渐减小; 而当距离参数过大后, 船体边界对气泡的影响可以忽略, 气泡不再形成明显射流。当气泡位于水面舰船舷侧时, 由于自由液面的影响, 气泡不易形成作用于舷侧的射流。

船体结构在先后经历中拱变形、中垂变形以及气泡溃灭射流的冲击后, 船体结构将受到严重毁伤, 甚至折断。

1.4 水下中远场爆炸作用下舰船响应与毁伤

1.4.1 船体结构总体响应

当水下爆炸产生气泡的脉动载荷频率与船体结构低阶固有频率接近时, 气泡脉动载荷对船体结构的动响应作用效果会逐次叠加, 船体将产生总体鞭状响应, 这种整体振荡是整个船体在低频垂向振动模态上的一种弯曲运动, 其水平和扭转振动可以忽略。鞭状运动对船体的总强度有很大的影响, 当鞭状运动有足够大的幅度时, 会导致船体梁屈曲、船壳撕裂以及船体梁强度的受损,具体表现为在整船的1个截面或几个截面上形成塑性铰, 船体纵桁被拉压至屈服或失稳, 舷侧出现自上而下的皱褶[54]。对船体鞭状运动程度的考量一般从船体总纵强度角度考虑, 由于鞭状运动主要是 1阶模态形式下的运动, 因此采用船体梁中点挠度或者船中最大弯矩都可评估舰船鞭状运动的幅值。

舰船结构的鞭状响应主要涉及自由场气泡动力学[55]、船体振动学和船体与水相互作用动力学(即流-固耦合)等。针对自由场气泡动力学问题,一般假设爆炸气泡周围的流体为无粘、不可压,气泡在上浮过程中保持球形, 但需考虑气泡上浮(迁移运动)、上浮阻力、水面效应[56]以及各次脉动之间的能量损失[57]。针对船体振动学问题, 为得到舰船的固有频率和固有振型, 将船体视为一根变截面的梁是简单有效的方法。流固耦合模型一般基于双渐进法(doubly asymptotic approximation, DAA)、2阶双渐进法(DAA2)或是在以上 2种方法基础上的改进。

舰船结构的鞭状响应受到诸多因素的影响,如气泡脉动压力周期和爆距, 对于水下潜艇, 还受到潜深、攻击角度等情况的影响。许多学者对以上影响因素开展了研究[58-62], 总结来说: 当气泡脉动周期与船体低阶湿模态对应的固有频率相近时, 舰船鞭状运动幅度最大; 随着爆距的增加,鞭状运动幅值下降; 爆点位于潜艇正下方时, 鞭状响应最严重。另外, 气泡脉动诱导船体梁发生鞭状响应的同时, 也会引发刚体模态响应(垂荡和纵摇), 刚体运动会明显削弱鞭状运动的弯曲损伤[63-64]; 爆点发生偏移时, 水下爆炸气泡脉动载荷除诱导结构 1阶响应外, 亦将诱导其他阶模态响应[65]; 在对舰船结构的鞭状运动的理论研究中, 容易忽略鞭状运动中的阻尼效应, 鞭状运动的阻尼类型可分为3种: 船体阻尼(结构阻尼, 材料阻尼)、内部阻尼(内部自由液面晃荡, 设备减震基座)和外部阻尼(流体阻尼, 包括兴波阻尼和粘性阻尼)。上述阻尼效应对舰船水下爆炸鞭状运动的衰减起到重要的作用, 如不予考虑有可能造成对舰船鞭状运动响应幅值的高估[66-67]。

1.4.2 舰船抗冲击技术

水下远场爆炸在大部分情况下很难使舰船结构丧失不沉性, 对舰船生命力难以形成致命性的打击, 但是却可以通过对全舰范围内设备和人员的冲击破坏使舰船丧失战斗力。尤其是现代舰船上精密设备的广泛应用以及现代水中兵器爆炸威力的不断提高, 对舰船的抗冲击防护要求提出了考验。

水下爆炸载荷作用至舰船设备的基础输入称为设备的冲击环境, 描述冲击环境的方式有时域分析和频域分析2种。时域分析表征为设备基础所经受冲击加速度、冲击速度和位移, 具有直观性; 但频域分析可以更深刻地认识物体的运动特性, 因而被广泛应用在工程中。冲击谱分析是研究冲击运动的频域分析方法, 冲击谱是冲击响应谱的简称, 它是一组理想单自由度振子对基础运动的最大响应随振子频率ω变化的图谱, 可以直观地给出在该冲击环境下设备的绝对加速度,相对于基础的相对速度和相对位移[68]。

研究舰船设备抗冲击能力的主要方法有舰船水下爆炸试验、虚拟冲击试验(即数值仿真)以及冲击试验机模拟冲击试验[69-70]。其中, 冲击试验机模拟冲击试验的方法因兼顾了试验成本和真实冲击环境的输入, 且其产生的冲击载荷易控制、重复性好, 而被各国普遍采用, 以考核舰船设备抗冲击能力和作为舰船设备的验收标准。传统的冲击试验机主要有轻型冲击试验机、中型冲击试验机和浮动冲击试验台。实际上在舰船设备抗冲击试验中, 设备和船体是相互耦合的, 尤其是当舰船设备的质量和尺寸较大时, 其对于周围冲击环境有很大的反作用力, 这在冲击谱测量时会出现明显的谱跌现象。因此, 开展对舰体与设备的一体化抗冲击[71-73]研究是非常必要的。同时, 舰船内部人员对水下爆炸的冲击响应也不应忽视[74]。

舰船设备冲击环境的能量主要来自水下爆炸产生的冲击波、气泡膨胀形成的滞后流以及气泡脉动形成的二次脉动压力。李国华等人[75-77]通过对浮动冲击平台的水下爆炸试验发现: 滞后流是安装频率为数十赫兹的舰船设备冲击振动的最主要能源, 二次压力波是舰船产生几赫兹低频运动的主要原因。而冲击波具有的能量对设备冲击振动的贡献很小。

对舰船设备的抗冲击防护主要通过加装减振隔离装置、选用抗振元器件等方法实现, 常用的抗冲器有金属弹簧隔振器、钢丝绳隔振器、橡胶隔振器、空气弹簧隔振器、液压阻尼器及气液组合减振器等, 这些隔振器的主要工作原理是先将冲击能量储存在冲击隔离器中, 而后再按隔离系统本身固有振动周期, 将能量缓慢释放出来,以缓冲设备的直接冲击响应。采用抗冲隔离原件后的舰船设备在水下爆炸冲击环境下的振动响应将有一定程度的下降[78]。对舰船内部人员的抗冲击防护主要通过在人员活动区域加装抗冲击地砖,穿戴抗冲击头盔、背心、鞋等进行[5]。

舰船的抗冲击研究在我国的早期舰船设计上曾一度被忽视。我国从上世纪60年代开始对舰船抗冲击开展研究, 尤其经过近十几年的发展,有了长足的进步, 基本形成了完整的抗冲击体系。但与国外先进水平相比仍有一定的差距, 如抗冲击仿真评估、设备及人员抗冲击防护手段、实船试验等方面的研究[6]。

2 研究方法及发展趋势

以上内容仅从水下爆炸载荷及其对舰船的毁伤角度进行了综述, 然而关于水下爆炸的相关研究内容是非常丰富的。针对水下爆炸载荷下舰船响应与毁伤问题, 主要的研究方法有理论研究方法、试验研究方法和数值计算方法, 其中理论研究方法又可分为能量法、解析法和经验公式法。理论研究方法是建立科学理论体系的基础, 是水下爆炸载荷作用下舰船响应与毁伤研究的重点和最终目标。由于水下爆炸载荷作用于舰船的毁伤过程是一个复杂的非线性动态过程, 企图建立一个精确的数学模型而得到解析解是非常困难的,必须结合试验研究方法和数值计算方法, 试验研究和数值计算分析为理论研究提供规律性认识,同时又验证理论研究结果的正确性和可靠性。实船试验研究[79]是再现物理过程的最可靠手段, 实船试验也是评估舰船遭受水下爆炸攻击下生命力的最具说服力的考量标准。但实船水下爆炸试验为毁伤性试验, 需要消耗大量人力、物力和财力,且对水下爆炸载荷的测量技术及数据分析带来了很大的考验[80-84]。因此, 基于水下爆炸相似理论[85-89]的缩尺比模型试验以及针对局部结构[18,20,90-94](如固支方板、加筋板、双层底、局部舱段等)的水下爆炸试验成为必要的替代手段。尽管由于目前的水下爆炸相似理论还不能完全满足相似准则、局部结构与实船结构在边界条件上的巨大差异等因素, 使得缩比试验和局部结构试验结果很难推广到实船, 但作为机理性的研究, 仍不失为行之有效的研究方法。水下爆炸数值仿真方法则配合几乎所有的试验, 成为众多学者的主要研究手段。数值方法可作为试验结果的对比对象, 通过灵活变换参数进而拓展试验工况。但总体来说,水下爆炸结构毁伤数值计算精度不高, 主要限制因素是载荷计算方法和流体-结构耦合计算方法,目前发展的水下爆炸数值方法主要有声-固耦合方法[95]、DAA[96-97]、无网格方法(smoothed particle hydrodynamics, SPH)[98-100]以及介于有限元法和有限体积法之间的间断伽辽金方法[101-103]。

从水下爆炸的研究对象来说可分为水面舰船和潜艇, 两者在水下爆炸载荷作用下的结构动响应问题基本类似, 但也有特别之处, 如潜艇圆柱壳结构在水下爆炸载荷作用下的弹塑性动力屈曲问题[104-107]。另外, 如何采取有效措施来避免或减缓水下爆炸对舰船的巨大破坏作用, 提高其生存能力, 是海军不断追求的目标, 而对用于抗水下爆炸冲击的新材料与新结构[108-118](如弹性泡沫夹芯结构、刚夹层板、玻璃钢、蜂窝夹芯结构、金字塔点阵结构、金属夹芯结构等)，因其具有优良的抗爆抗冲击特性和轻质等特点，成为众多学者的重点研究对象，其在舰船抗爆抗冲击领域的工程应用必将成为一大趋势。

3 结束语

文中重点围绕水下爆炸载荷下舰船不同的响应特性与毁伤模式, 对舰船动响应过程和毁伤机理的研究现状进行了详细论述, 并简要综述了水下爆炸载荷下舰船响应与毁伤领域的诸多研究方法以及发展趋势。

针对目前我国水下爆炸载荷下舰船响应与毁伤研究进展, 提出以下建议。

1) 多机构合作, 大力开展水下爆炸实船试验。对于水下爆炸载荷及舰船响应与毁伤问题的研究, 国内众多高校和研究所都在开展相关研究。然而, 有条件进行水下爆炸实船试验的单位很少, 同时保密要求与竞争因素的存在, 使得稀少的水下爆炸实船试验结果与数据无法共享, 很难对试验结果和试验数据作出充分挖掘分析。建议联合多个相关单位, 共同制定详细试验方案,解决测量技术难题, 充分分析试验数据, 为得到可靠结论打下基础。

2) 制定规范标准, 完善评价体系。目前, 舰船船体结构的强度设计主要是考虑自然环境载荷,如静水中船体强度计算校核、波浪中船体强度计算校核、波浪抨击载荷下的首部局部强度校核、潜艇深水压力下耐压壳体强度和稳定性计算校核,而对于水下爆炸这种战争环境载荷, 在规范设计中较少考虑, 可查规范仅有潜艇耐压壳体对一定药量水下爆炸的安全半径评估。一方面, 我国在规范的应用上是直接沿用国外规范, 对规范中的内容认识不深; 另一方面, 水面舰船在水下爆炸载荷下的强度校核等规范内容缺失。因此, 水下爆炸毁伤载荷自身的定量计算与设计载荷的确定、水下爆炸载荷对船体结构作用的响应计算方法、船体结构毁伤程度的评价方法和标准等问题仍有待进一步研究。

从实际海战来讲, 关乎舰船生命力的核心是舰船遭受打击后的剩余强度和生存能力, 因此,开展对水中兵器的毁伤威力的评估、水下爆炸作用下舰船结构抗毁伤能力评估以及舰船生命力的预报非常必要, 也是未来的研究方向。

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Review of Dynamic Response and Damage Mechanism of Ship Structure Subjected to Underwater Explosion Load

JIN Jian, ZHU Xi, HOU Hai-liang, CHEN Peng-yu, WU Lin-jie
(Department of Naval Architecture Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Research on dynamic response and damage mechanism of ship structure subjected to underwater explosion load is of great significance, including three aspects: the assessment of warhead lethality of underwater weapons, the assessment of ship structure′s damage resistance, and the prediction of warship survivability. The load characteristicsand ship response as well as the damage mechanism are important parts in the research field. In this paper, the process of underwater explosion, the explosion load classification, and the load characteristics are introduced. Based on damage types of ship under different types of load, the classification of underwater explosion, the dynamic response process, and the damage mechanism are analyzed in detail. The current research methods and development tendency about ship response and damage under underwater explosion are reviewed. Finally, some suggestions and prospect are offered for the research on response and damage of ship subjected to underwater explosion load.

underwater explosion; ship; dynamic response; damage mechanism

金键, 朱锡, 侯海量, 等. 水下爆炸载荷下舰船响应与毁伤研究综述[J]. 水下无人系统学报, 2017, 25(5): 396-409.

【编者按】现代舰船的生命力和战斗力受到鱼、水雷等水中兵器的严重威胁, 开展水下爆炸载荷下舰船响应与毁伤研究具有十分重要的现实意义。水下爆炸载荷下舰船的响应与毁伤过程是复杂的非线性动态过程, 属大变形、强非线性问题, 涉及流体力学、气泡动力学、爆炸力学、塑性力学、塑性动力学、结构力学、断裂力学、结构振动学、水弹性力学及计算机应用等众多学科及相互之间的交叉。目前对水下爆炸的基本过程、物理现象和载荷特性的研究较为成熟, 对复杂边界条件下的水下爆炸过程和载荷特性的研究也有了长足的进展, 而水下爆炸载荷下舰船动响应过程、毁伤机理问题还有待进一步研究。在受到水中兵器的攻击情况下, 如何根据舰船动响应过程与毁伤机理合理选取材料、设置优化结构是舰船防护中亟待解决的问题。在国内, 朱锡教授带领的舰船抗爆抗冲击技术研究团队在舰船防护装甲材料、舰船防护结构设计方法、舰船结构防护/承载/隐身多功能一体化等方向有深入研究, 取得了一批原创性成果。目前团队承担着武器装备预研项目、国防 973项目、国家自然科学基金重点项目等多项国家级项目的研究与研制任务。本刊特邀其团队成员金键博士系统梳理了水下爆炸下舰船响应与毁伤问题, 以综述形式呈现, 旨在让读者对水下爆炸的过程、分类和载荷特征、舰船动响应过程和毁伤机理以及研究方法和研究趋势有清晰的了解与认识。

TJ630; TQ560; U661.4

A

2096-3920(2017)05-0396-14

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.05.002

2017-09-30;

2017-11-10.

国家自然科学基金项目(51479204、51409253、51679246).

金 键(1990-), 男, 在读博士, 主要研究方向为舰船抗爆抗冲击.

(责任编辑: 杨力军)