船内爆炸载荷特性及对舰船结构毁伤研究综述

李德聪，段宏，吴国民，周心桃，杨雄辉

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

0 引 言

随着反舰武器的迅速发展，各种高性能反舰导弹已成为水面舰船面临的最主要水上威胁武器［1］。目前，反舰导弹大都采用半穿甲型战斗部，依靠弹体动能其可穿透舰船舷侧外板，再通过延时或智能引信使战斗部在舰船内部爆炸，这种直接作用于舰船结构、设备及人员的爆炸，将对舰生命力和战斗力产生严重的威胁［2-4］。战斗部在船内爆炸后，将产生冲击波、破片、爆炸产物等多种毁伤元［5］。与开放空间不同，舰船内部属半封闭空间，结构边界的约束对战斗部爆炸毁伤元的影响十分显著，主要表现为冲击波效应显著增加、准静态压力作用突出，且还存在多毁伤元的联合作用。战斗部船内爆炸工况下，其能量的利用率大幅提高，对舰船的毁伤破坏作用也大幅增强，因此科学地认识战斗部船内爆炸毁伤元特性及其作用规律是舰船抗爆防护结构设计的重要前提。但迄今为止，国内对战斗部船内爆炸冲击波、破片及爆炸产物的定量表征，以及对舰船结构的破坏效应、毁伤机理、力学模型与作用规律的研究还远不充分，大幅限制了水面舰船抗爆防护结构的设计应用。

本文将基于国内外现有研究成果，详细分析战斗部船内爆炸载荷的构成及对水面舰船结构的毁伤特征，然后分别针对船内爆炸对结构的主要毁伤过程，总结舰船船内爆炸试验、理论分析及数值仿真方面的研究进展，提出尚需解决的关键问题，为深入研究导弹战斗部船内爆炸载荷特性及规律、揭示舰船结构在船内爆炸载荷下的毁伤机理，进而为舰船抗内爆防护结构的设计提供借鉴与参考。

1 导弹战斗部船内爆炸毁伤元及爆炸载荷特点分析

导弹战斗部主要由金属壳体、主装药、引信和传爆序列组成。战斗部引信在船内某点被触发后，传爆序列引爆高能主装药，瞬间形成高温、高压的爆轰产物；在高压爆轰产物作用下，金属壳体开始塑性膨胀并发生破裂，破碎的弹片受爆轰产物的推动向四周飞散形成破片群。同时，爆轰产物压缩周围空气介质，形成冲击波［6］。可以看出：战斗部船内爆炸时，作用于舰船结构的毁伤元主要包括爆炸产物、冲击波和破片群等。

舰船内部属半密闭空间，爆炸载荷受约束环境的影响十分显著，与开放空间相比区别很大［7］，其作用效果更具破坏性，主要表现在以下方面：

1）冲击波作用显著增加。结构壁面承受复杂的多次反射冲击波作用后，容易产生裂纹及破口，此外，角隅处的冲击波会产生汇聚效应，其幅值远大于壁面反射冲击波，使得连接部位易发生撕裂破坏［8］。

2）密集破片群作用范围广。战斗部爆炸后，壳体可以产生几千至上万枚、几克至上百克质量不等的密集破片群［9］，初始速度可达到2 000 m/s左右，可使结构产生集团穿甲破口及整体塑性破坏［10］。由于破片在空气中速度衰减较慢，故其对结构的毁伤范围很广。

3）准静态压力作用突出［7］。在内爆情况下，由于舰船舱室结构边界约束的存在，限制了爆炸能量的弥散，冲击波在结构内多次反射时随着时间的推移，压力幅值与波动减弱，并且随着爆炸产物气体与空气的不断混合逐渐趋于均匀，进而产生一个幅值相对不高但作用时间很长的压力场，一般称之为准静态压力，其产生的冲量大，可使结构发生塑性大变形、连接部位及开口部位的撕裂，乃至结构发生整体破坏［11］。

4）存在爆炸压力与破片群的联合作用。船内爆炸情况下，还存在冲击波、破片群及准静态压力对结构的联合毁伤作用。与单个毁伤元作用相比，在多毁伤元联合作用下结构的破坏模式更加复杂，导致结构的毁伤程度也更加严重。

战斗部船内爆炸毁伤元及其对舰船结构的主要毁伤特性总结如图1所示。

2 冲击波对舰船结构的毁伤研究

加筋板是舰船结构的基本单元，故研究爆炸冲击波载荷对加筋板结构的毁伤机理和规律十分重要。Nurick等［12］通过试验，初步研究了具有1根加强筋的固支方板在爆炸载荷下的破坏模式，结果表明：当加强筋较弱时，撕裂破坏发生在固支边界；当加强筋较强时，沿加强筋发生撕裂。刘土光等［13］和黄震球［14］采用塑性动力学方法研究得到了十字加筋固支方板在爆炸载荷下板的最大残余变形计算公式，并分析了加筋强弱对板架变形的影响。吴有生等［15］基于能量法，考虑了大变形及中面膜应力的影响，得到非接触爆炸下单向加筋板的塑性变形公式，并基于能量准则建立了单向加筋板架破裂所需极限药量的理论计算公式。

基于塑性动力学或能量原理等理论方法得到的理论计算公式，可用于简单板架结构变形的快速近似预报。但其局限性主要在于：一是须对板架的变形模态做出正确的假设，特别是当加强筋形式复杂、刚度不能近似简化为足够小/足够大的情况下，当难以对板架的变形模态做出正确的假设时，理论方法的适用性变差；二是仅能预报到板架破裂的临界状态，难以对后续的破损尺度进行预报。因此，数值计算以及数值计算结合模型试验的方法成为研究冲击波对加筋板结构毁伤的重要技术途径。

Houston等［16］在早期采用ADINA程序初步研究了加筋板架在爆炸载荷作用下的变形规律。LANGDON等［17］针对单筋、双筋、十字加筋等不同形式的固支加筋方板，通过系列模型实验并结合数值方法研究加筋板结构在爆炸载荷下的动响应及失效模式，初步分析了加筋形式、加筋尺寸对板架结构变形及破坏的影响规律。梅志远等［18］针对由T型材、球扁钢及面板组成的加筋板，采用MSC.Dytran程序并结合模型实验研究了船用加筋板架结构在爆炸载荷作用下的变形规律，重点分析了加强筋迎爆和背爆两种载荷工况下板架动态响应的差异，研究认为在加强筋背爆面设置抗爆能力更强。朱锡等［19］采用质量相效原则等效，将加筋钢板简化为均匀钢板，基于能量方法建立挠度变形的计算公式，并通过实验获得材料极限动态应变估算值，然后以最大环向应变等于极限动应变作为板架径向撕裂的判据，得到破口半径的计算公式。吴林杰等［20］采用MSC.Dytran程序研究了柱状炸药装药在固支矩形加筋板中心正上方爆炸时加筋板的毁伤模式以及不同毁伤模式之间转化的临界爆距计算公式。

可以看出，针对简单加筋板在空爆冲击载荷作用下的变形、破坏模式及规律等国内外已开展了较深入的研究工作。但实际舰船结构属薄壁半封闭空间结构，与简单约束的加筋板相比差别很大，船内的爆炸冲击载荷远复杂于敞开环境中。内爆载荷与结构毁伤间存在一定的耦合关系，近年来引起了研究者的广泛关注，目前的研究大致有两种处理方法：一是进行简化解耦处理，通过简化方法获得舱内不同位置点的冲击波载荷曲线，然后将该动载荷作用于舰船板架，获得结构的变形及破坏规律；二是将爆炸流场与舱室结构耦合在一起考虑，通过流固耦合方法计算结构的变形及破坏规律。

针对第1种处理方法，Chan等［21］在冲击波自由场载荷计算公式的基础上提出了镜像法（Method of Image，MOI），该方法将初始冲击波和各封闭空间壁面反射冲击波按到达时间先后进行计算叠加，从而得到不同空间位置点的冲击波压力曲线。该方法未考虑舱壁加强筋以及开孔等因素对冲击波载荷的影响，但可以较直观地估算不同空间位置点冲击波的数量级，可以通过比较其相对强弱来定性分析结构的初始破坏位置及破坏模式。侯海量等［8］通过模型试验研究了内爆下冲击波载荷的传播及作用规律，结果表明，当冲击波在舱室角隅处会产生汇聚现象时，舱室板架结构承受的载荷除壁面反射冲击波外还有汇聚冲击波，得到的舱内爆炸冲击波的传播规律及载荷幅值的数量级与孔祥韶［11］采用MOI方法得到的结果大致相当。

针对第 2种处理方法，Du等［22］采用 MSC.Dytran程序的一般耦合法计算了多层结构在内爆后冲击波的传播及对结构的变形和破坏情况。侯海量等［23］采用MSC.Dytran程序研究总结了内爆下舱室板架结构的4种破坏模式，其中舱室板架结构沿角隅部位发生撕裂是最常见的一种破坏模式。孔祥韶等［24］通过实验研究3种角隅结构形式（包括平板连接、内凹板结构和内凸板连接）对冲击波角隅汇聚现象的影响，结果表明内凹板连接结构对减弱冲击波汇聚有一定的效果。

综上所述，经过研究，近年来已对船内爆炸冲击波的特性有了一定的认识，初步掌握了冲击波载荷作用下舱室结构的主要破坏模式，为舰船抗爆结构的设计提供了许多有益的参考。尚需解决的主要问题如下：

1）舰船板架结构均由板及加强筋焊接而成，焊缝处材料的强度、韧性等力学性能与母材存在一定的差别，且焊缝处更容易存在缺陷，焊缝的失效在板架结构的破坏中起十分重要的作用［25］。因此，需要深入研究不同形式焊缝的失效准则、随机缺陷焊缝对舰船结构抗爆性能的影响等。

2）数值计算方法是研究舰船结构在内爆载荷作用下破坏的主要技术手段，由于舰船的基本结构形式为加筋板，主要由球扁钢、T型材和面板组成，与空气区耦合的结构面域数量非常多且形状复杂，给流固耦合计算带来了很大的困难。因此，研究基于舰船结构界面的高效流固耦合方法或合理的结构简化方法具有十分重要的现实意义。

3）缩比模型试验方法仍是研究的重要手段，需要重点解决两方面的难题：一是缩比模型相似关系的问题；二是因冲击载荷与结构响应存在一定的耦合，安装在结构上的传感器受结构的动态响应影响很大，需要解决冲击动响应高精度测量问题。

3 准静态压力对舰船结构的毁伤研究

导弹战斗部内爆工况下，由于舱室结构边界约束的存在，限制了炸药爆炸能量的弥散，准静态压力成为一个重要的毁伤元。Trott等［26］研究发现，球形容器内爆炸时引起结构破裂的主要因素是准静态压力而非反射冲击波，密闭/半密闭空间内爆炸准静态压力的研究开始逐渐得到重视。Weibull［27］研究认为准静态压力峰值与泄压面积无关，而是装药量与容器容积之比（m/V）的函数。一系列研究［7，28-30］表明，载荷幅值与装药量及结构容积相关，而作用时间与结构的容积、卸压面积及爆炸能量的释放特性等因素相关，文献中常见的计算公式如表1所示。表中：pqs为准静态压力幅值，MPa；m为炸药质量，kg；V为结构容积，m3；tmax为正压作用时间，s；A为卸压面积，m2;c0为声速，m/s；p0为初始压力,MPa。

表1 准静态压力经验计算公式Table 1 Empirical formulation of calculating the quasi-static pressure

分析表1中所列针对压力峰值的计算公式，发现Carlson公式、Moir公式和TM5-1300公式的计算结果大致相近。文献［31］针对TNT，RDX等多种炸药采用列表的方式给出了准静态压力与不同之间的对应关系，当时，与上述3个公式的计算结果相对接近，但劳氏规范公式的计算结果与上述公式相差较大。上述关于压力幅值的计算公式大都是在密闭空间中得出的，均未考虑压力随时间的变化。孔祥韶［11］初步分析了卸压面积对压力幅值的影响，得到了半密闭空间中准静压力幅值随时间变化的简化计算方法。

侯海量等［23，32］采用模型实验并结合数值方法研究了内爆载荷作用下舱室结构的毁伤模式，分析认为冲击波与准静态压力作用是引起舱室结构整体破坏的主要因素（图2）。

徐双喜［33］采用MSC.Dytran软件研究了内爆压力载荷（包括冲击波与准静态压力）对多舱结构的毁伤，认为在舱壁上设泄爆孔可减轻对结构的毁伤。姚术健等［34］在量纲分析的基础上提出了一个无量纲参数（Q为炸药爆炸总能量；σ为材料屈服强度；L为特征长度；H为特征板厚），其含义为炸药输出能量与结构吸收能量的比值，并应用到了多舱结构破坏模式分析中，可为多舱结构毁伤模式的快速预测提供参考。

综上所述，目前针对准静态压力对舰船结构毁伤的作用已有一定的认识，主要通过数值计算的手段揭示了内爆载荷作用下舱室结构的主要破坏模式，尚需解决的主要问题如下：

1）目前，国内针对准静态压力的计算主要采用经验公式，一般只能估算准静态压力峰值，且结果存在较大的差别；此外，由于舰船为薄壁结构，在高压气流场作用下易破坏，结构与气流场间存在一定的耦合作用。爆点位置、结构破坏等因素对静态压力的幅值变化和持续时间的影响尚未深入考虑，需要研究适用于舰船结构的准静态压力载荷模型以及相应的计算方法。

2）从对结构的作用时间量级来看，冲击波与准静态压力相差1～2数量级，给数值计算带来了困难，冲击波计算要求计算网格尺度小，时间步长小，而准静态压力则要求计算时间长，因此需要针对不同的要求，研究高效的数值计算方法。

3）由于冲击波超压与准静态压力对测试系统的频响要求差别很大，在试验测量中使用单一类型的传感器存在一定的弊端，故需研究高效、实用的舰船舱室内爆压力试验测试方法。

4 破片群对舰船结构的毁伤研究

导弹战斗部爆炸后，壳体可产生大量不规则的破片，由于破片在空气中的速度衰减相对较慢，对结构的毁伤范围很广，是一类重要的毁伤元，因此破片对舰船结构的毁伤机理及防护方法一直都是舰船结构设计者重点关注的问题。

研究单个破片对均匀结构的穿甲问题是认识破片群对结构毁伤效应的重要基础，因此早期研究多集中于此。对结构设计者而言，主要关心两个参量：极限穿透速度和单位面密度吸能。对于极限穿透速度，常用的计算公式如表2所示。

表2 极限穿透速度计算公式Table 2 Formulation of calculating the ultimate penetration velocity

表2中，公式（1）～公式（4）均是基于量纲基础建立的经验公式，公式中的常数需针对不同的弹靶系统通过试验拟合得到。公式（5）是基于一定假设后得到的理论计算公式，公式中靶板的材料参数需要通过试验确定。

对于单位面密度吸能，Hetherington［39］研究发现，在破片穿甲过程中，在弹道极限附近存在吸能峰值，当侵彻速度略高于弹道极限后靶板弹道吸能会下降。梅志远等［40］研究发现单位面密度吸能并非常数，不仅与材料的动态力学性能相关，还取决于弹速范围。侯海量［32］针对圆柱形球头破片，采用MSC.Dytran程序详细研究了单位面密度吸能与随弹速变化的规律，证实了当侵彻速度高于弹道极限后靶板单位面密度吸能存在先下降后逐步上升的规律。

实际导弹战斗部在船内爆炸将产生大量不规则的破片。表征破片群特征的主要有破片数目、质量分布及初始速度等参数。由于弹体的破碎与弹体的结构、装药的种类、弹体的材料属性等直接相关，初始裂纹的位置、形状、数量、扩展方向和速度与弹体材料的非均匀性/缺陷分布等随机因素密切相关，因此对破片群特性量的表征主要采用半经验公式，目前应用最广泛的是采用Mott公式计算破片的数目及质量分布，利用Gurney方程来计算破片的初速［41］。美国海军武器实验室同样采用Mott公式，并利用模拟弹试验对公式中的参数进行了拟合。近20年来，俄罗斯学者基于X射线测试的试验观测系统，系统研究了炸药种类、填充方式、壳体形状、材料及厚度分布等因素对破片生成的影响，在大量试验的基础上建立了一系列经验计算公式，并在最新版的《爆炸物理学》［42］一书中进行了总结。近年来，国内外学者基于动态断裂理论，发展了系列数值计算方法［43-45］，用于计算战斗部爆炸后破片的质量及速度分布规律。但对于实际目标战斗部而言，工程应用中仍需在经验公式的基础上，通过数值模拟并结合模拟弹试验［46］对经验公式中的参数进行修正。

与单个破片相比，破片群对结构的毁伤存在较大的增强效应。孔祥韶等［47］的研究表明，在密集破片作用下船体结构不仅产生了局部穿孔破坏，还存在整体的破坏效应，破片群的整体破坏效应在防护结构设计中不能忽略。Qian等［10，48］详细研究了密集破片对固支圆形装甲薄板的毁伤效应，结果表明薄板的毁伤模式包括局部穿孔、集团的冲塞破口并伴随板的整体弯曲变形，同时指出破片穿靶过程中的冲量及能量沉积速率与持续时间是引发多破片耦合效应的根本因素。李伟等［49］结合经验公式及模拟弹试验，研究了高速破片群对舱壁结构的毁伤特性，并对破片的毁伤能力进行了等级划分，可供舰船抗破片防护结构设计参考。

综上所述，目前对破片群对舰船结构的毁伤破坏模式已有一定的认识，但研究工作开展得相对较晚，尚需解决的主要问题如下：

1）目前针对典型目标战斗部爆炸后破片数目、质量分布及初始速度的计算主要采用半经验公式，但参数的取值依据不足，计算结果缺乏必要的实验验证。因此，需要针对典型目标战斗部开展目标特性研究，通过不同尺度的缩比模拟弹试验对半经验计算公式进行修正，获得可供结构设计使用的典型目标战斗部破片群特征量计算方法。

2）目前破片群对目标的毁伤研究主要集中在均匀靶板结构，针对舰船空间舱室结构毁伤模式及毁伤范围的研究较少，对防护结构的设置与设计支撑不足；此外，尚需研究不同毁伤模式对结构强度的影响规律及判别准则。

3）结构设计中一般对重要舱室设置不同形式的防护结构，尚需深入研究破片群对不同形式防护结构的毁伤机理及相应的计算方法。

5 爆炸冲击波与破片群联合作用对舰船结构的毁伤研究

在战斗部船内爆炸工况下，爆炸近区结构将遭受爆炸冲击波与破片群的联合作用。研究表明，两种载荷联合作用对工程结构的破坏具有叠加增强效应［6，50，51］，破坏程度严重得多。Nyström等［52］的研究表明，冲击波与破片群联合载荷对结构的破坏程度要大于单一载荷分别作用的破坏程度之和，结构的整体毁伤效应更加突出。李茂等［53］和 Wu等［54］分别研究了固支方板、薄壁圆柱壳在冲击波以及破片在冲击波和高速破片联合作用下的毁伤特点及规律，结果表明，冲击波作用主要引起了结构的整体挠曲大变形，破片密集作用区易产生贯穿性破口。

为抵御爆炸冲击波和高速破片群的联合毁伤研究，近年来，研究者提出了多种舰船局部防护结构形式并逐步开展了系列研究。段新峰等［55］采用ANSYS/LS-DYNA软件，研究了I型金属夹层板结构在冲击波和高速破片联合作用下的毁伤响应，其中联合载荷由TNT炸药爆轰驱动底部布置的预制破片来实现，研究提出了I型金属夹层板的毁伤模式及吸能特性，并与冲击波单独作用的工况进行了对比分析。张成亮等［56］开展了钢/玻璃钢/钢夹层结构空中近爆模型试验，分析了结构毁伤模式以及冲击波与高速破片的破坏模式及联合毁伤机制，结果表明前面板以反向大变形和中部穿甲大破口为主，后面板以大变形和大面积花瓣开裂为主，玻璃钢夹芯层则产生了大面积的穿甲破口和分层破坏。侯海量等［57］采用TNT装药驱动预制破片试验进一步研究了几种不同的典型夹芯复合舱壁结构在冲击波与高速破片联合作用下的破坏效应（图3），结果表明破片能远大于冲击波能；前面板主要是抵御冲击波，其变形破坏整体为挠曲大变形，局部为集团破片冲塞破口、破片穿孔和撞击凹坑；背板以挠曲大变形吸能为主，阐述了夹芯复合舱壁结构对冲击波与高速破片群联合毁伤作用的防护机理。李典等［58］采用与文献［57］类似的方法进一步研究了几种新型的芳纶纤维夹芯结构与高强聚乙烯夹芯结构对冲击波与高速破片联合毁伤的防护性能，研究认为夹芯结构中的芯层对爆炸载荷起到了“中介”转化的作用，将作用面积小、作用时间短的破片点载荷转化为作用面积大、持续时间长的面载荷，扩大了载荷的作用范围，并有效通过后面板的整体大挠度弯曲吸收破片群的动能。

此外，国内一些学者还研究了爆炸冲击波与破片群对整体舱室结构的毁伤模式及毁伤效应。李伟等［59］针对典型舱室结构，采用缩比模型试验，通过带壳装药模拟导弹战斗部，研究了带壳装药在模型舱室结构中爆炸后对舱室结构的破坏模式及毁伤效应，结果表明冲击波与破片群的联合作用是对爆炸近区的局部结构毁伤的主要因素。Kong等［60］针对典型的多舱结构，采用模型试验及MSC.Dytran程序，研究了带壳装药内部爆炸后冲击波与破片群的联合毁伤效应，认为破片群对冲击波有一定的导向作用，两种载荷形式对结构产生的破坏效果相互影响，并指出液舱对破片群的防护起到了关键作用。

综上所述，目前爆炸冲击波与破片群联合作用的研究主要集中在典型的局部结构，如钢质舱壁、夹芯复合结构及金属夹层结构等，通过试验研究结合数值方法，对此类结构在两种载荷联合作用下的毁伤模式及毁伤机理有了一定的认识，尚需解决的主要问题如下：

1）目前，采用的数值方法是认识冲击波与破片群联合作用对舰船结构的毁伤机理，定量获得结构毁伤规律的主要手段。为提高数值方法的适用性，尚需深入新型材料的力学本构模型、复杂应力条件下材料/结构的失效准则，以及高效的多物质场/多接触面耦合方法等问题。

2）目前，针对爆炸冲击波与破片群联合作用对舰船结构的毁伤研究主要依靠模型试验，虽然可揭示结构的毁伤模式及其防护力学机理，但模型试验的结果目前尚无可靠的方法换算到实际结构的毁伤性能，难以有效支撑防护结构抗毁伤性能评估，因此尚需深入研究计及应变率因素的冲击波与破片群联合作用对结构毁伤的相似关系及相应的换算方法等问题。

6 结 语

舰船抗内爆防护结构设计是舰船结构设计的重要组成部分，深入认识导弹战斗部船内爆炸载荷特性及对不同类型舰船结构的毁伤机理是提升我国舰船抗内爆结构设计能力的重要前提，特别是随着科技进步，新材料及新型结构的不断出现，为舰船抗内爆结构设计提供了更好的素材。通过系统总结船内爆炸载荷构成及对水面舰船结构的毁伤特征，重点阐述了国内在船内爆炸对舰船结构毁伤研究方面的主要进展，针对工程需求，提出了若干关键力学问题，可以为舰船抗内爆结构研究领域的技术发展提供规划，进而为舰船抗内爆防护结构的设计提供借鉴与参考。

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