爆炸載荷作用下艦船板架結(jié)構(gòu)的變形與斷裂研究綜述

爆炸載荷作用下艦船板架結(jié)構(gòu)的變形與斷裂研究綜述

1執(zhí)行任務的影響因素長期以來，在爆炸和載荷作用下，船板結(jié)構(gòu)的變形和斷裂研究由來已久，國內(nèi)外科學家在這方面做了大量工作。爆炸是物質(zhì)非常迅速的化學或物理變化過程,在變化過程里迅速地釋放出巨大的熱量并生成大量的氣體,此時的氣體由于瞬間尚存在于有限的空間內(nèi),故有極大的壓強,對爆炸點周圍的物體產(chǎn)生了強烈的壓力,當高壓氣體迅速膨脹時形成爆炸。對于艦船本身而言,其在執(zhí)行任務的過程中主要面臨水中爆炸和空中爆炸的威脅。兩者相比,由于海水的密度約為空氣密度的835倍,壓縮性通常只有空氣的(1/30000~1/20000),因此,炸藥在水中爆炸所產(chǎn)生的破壞作用要比在空氣中爆炸強烈得多艦船板架結(jié)構(gòu)承受的爆炸載荷,是在很短時間內(nèi),在巨大沖擊載荷作用下的一種復雜的非線性動態(tài)響應過程,屬大變形、強非線性(包括材料非線性、幾何非線性、運動非線性)問題,按其作用形式主要分為接觸爆炸和非接觸爆炸兩種。通常接觸爆炸主要造成艦船板架結(jié)構(gòu)的局部損傷,而非接觸爆炸的破壞作用則是全船性的。另外,一般艦船板架結(jié)構(gòu)是由加筋板焊接而成的,板的破裂和焊縫失效在結(jié)構(gòu)失效中也起著重要作用,它們直接關系到結(jié)構(gòu)的失效機理和能量吸收。爆炸的破壞作用還包含很多不確定因素,如爆炸的炸藥類型、藥量大小、炸藥到結(jié)構(gòu)的距離、周圍環(huán)境、自身結(jié)構(gòu)的特點等。一般而言,武器的裝藥量越大,對艦船的破壞程度就越大,但是由于現(xiàn)代武器彈藥要具備遠程運送和精確打擊的作戰(zhàn)能力,一般都會對彈藥的裝藥量提出限制。研究新型高能炸藥、定向爆破和先進戰(zhàn)斗部技術就成為提高現(xiàn)代武器毀傷能力的途徑。與此同時,為了提高現(xiàn)代艦船抵抗水下、空中武器攻擊的能力,許多新型復合材料2關于研究現(xiàn)狀2.1數(shù)學模型的建立由于爆炸載荷作用下結(jié)構(gòu)響應問題研究的復雜性,對其進行詳細的理論研究,并企圖通過建立一個精確的數(shù)學模型而使爆炸作用下結(jié)構(gòu)的動響應得到完全解析,是十分困難的。因此,早期的研究多限于實驗研究工作,以期望能從爆炸的現(xiàn)象和測得的數(shù)據(jù)中,分析總結(jié)出一些經(jīng)驗和規(guī)律,用于指導工程實踐。2.1.1實驗設備、技術和方法的限制國外實驗研究起步較早,但是由于受當時實驗設備、技術和方法的限制,早期的實驗研究工作也僅限于板、梁這些簡單的基本構(gòu)件。首先,KennardA.H.2.1.2框架成功模式與變形研究以梁結(jié)構(gòu)為研究對象,MenkesS.B.2.1.3水下爆炸的測試方法國內(nèi)實驗研究起步相對較晚,而且過于分散。直至20世紀80年代,中國船舶科學研究中心等單位開展了水下爆炸的實驗研究工作,對矩形加筋板、鋼質(zhì)圓柱殼等結(jié)構(gòu),在水下爆炸的動態(tài)響應進行了大量的測試工作。朱錫、朱凌2.2理論研究2.2.1期理論研究現(xiàn)狀多年來,人們積極開展板殼結(jié)構(gòu)爆炸的理論研究,其中最具代表性的是庫爾于20世紀50年代出版的《水下爆炸》一書,這本書對水下爆炸及相關問題進行了系統(tǒng)的研究,為之后理論研究工作的開展奠定了基礎。早期理論研究主要集中在光板、交叉梁等結(jié)構(gòu)上,由于加筋板結(jié)構(gòu)變形比較復雜,國內(nèi)外對爆炸沖擊作用下加筋板結(jié)構(gòu)的變形,至今還沒有一套很完整的理論估算方法。由于爆炸載荷作用下板架結(jié)構(gòu)的響應十分復雜,基于能量法研究板架結(jié)構(gòu)沖擊作用下的變形與破損一直是問題研究的主流方法。吳有生第一種模式,加強筋較弱,面板和筋作為一個整體發(fā)生變形,加強筋基本不影響面板的變形模式;第二種模式,加強筋足夠強,一直處于剛性狀態(tài),加筋板的板格始終以加強筋作為固定邊界發(fā)生運動和變形;第三種模式,加強筋強度介于以上兩者之間,面板變形通過筋與板之間作用力使筋也發(fā)生一定程度的變形,加強筋部分限制了面板的變形。黃駿德2.2.2響應分析理論研究的主要成果進入21世紀,爆炸作用下板架結(jié)構(gòu)的動響應分析的理論研究工作開展得更為廣泛,國內(nèi)研究也取得了突飛猛進的發(fā)展。吳成、金儼RajendranR.吳成、倪艷光2.3數(shù)值仿真計算實驗研究是再現(xiàn)物理過程最可靠的手段。但是爆炸實驗對于實驗場地、實驗設備要求嚴格,操作復雜,實驗周期長等,難于大規(guī)模進行,所以不便于廣泛應用。同時,對水下爆炸作用下加筋板架這樣復雜的結(jié)構(gòu)響應的理論分析也比較困難。在這樣的背景下,數(shù)值仿真計算便顯得十分必要。尤其是在20世紀60年代以后,隨著計算機硬件技術的發(fā)展以及計算方法的完善,水下爆炸的數(shù)值仿真研究得到了很大的發(fā)展,同時由于數(shù)值仿真方法具有研究周期短和投入經(jīng)費少等優(yōu)點,目前數(shù)值仿真已經(jīng)成為水下爆炸研究熱點。許多高瞬態(tài)非線性有限元分析程序,如:LS-DYNA、ABAQUS、ADINA、DYTRAN等得到了廣泛使用。數(shù)值仿真的關鍵在于要保證仿真結(jié)果的可靠性,這主要取決于輸入?yún)?shù)、建模方法、計算手段等多方面的因素。RudrapatnaN.S.,VaziriR.3載荷作用下的大型復雜板架動態(tài)響應機理隨著人類社會的進步及科學技術的不斷發(fā)展,爆炸載荷作用下板殼結(jié)構(gòu)變形與失效研究工作越來越引起人們的重視,目前需要研究的工作主要包括以下四個方面。1)實驗研究。在進行實驗技術和方法研究的同時,有效地開展大規(guī)模、系統(tǒng)的實驗研究也變得十分必要。尤其是國內(nèi),在實驗研究工作開展得過于分散,不利于研究工作的進一步開展。2)理論研究。爆炸及爆炸載荷作用下的大型復雜板架動態(tài)響應機理研究。如前所述,爆炸是一種非常復雜的過程,爆炸載荷下的動態(tài)響應屬大變形、高度非線性、流固耦合的瞬時動態(tài)響應,目前人們對其機理仍沒有完全研究清楚,需我們進一步詳細研究。3)數(shù)值仿真。作為目前應用最多的一種研究手段,數(shù)值仿真具有無可比擬的優(yōu)越性。然而計算結(jié)果的可靠性一直是研究人員所關注的問題。目前的計算軟件也只能針對具體的問題,有著良好的逼近度,也就是說,還不能將各種綜合影響因素真實地模擬出來。這些問題最終的解決還需要對爆炸及結(jié)構(gòu)響應的機理研究和軟件計算功能的改善。4)工程應用研究。復合材料結(jié)構(gòu)在爆炸載荷作用下的應用研究。由于復合材料具有普通材料所不具有的優(yōu)越性能,目前已廣泛應用于飛機、艦船、水下管道等結(jié)構(gòu)中。同時由于復合材料結(jié)構(gòu)的特殊性,對其進行的理論與實驗研究也變得十分困難,至今這方面的報道還很少,有待于研究工作的進一步開展。5)艦船抗爆結(jié)構(gòu)設計研究。隨著現(xiàn)代精確制導技術的發(fā)展和導彈爆炸威力的提升,艦船生存環(huán)境面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。因此,研究開發(fā)出在滿足常規(guī)強度、使用要求下安全可靠、方便實用的新型抗爆結(jié)構(gòu)型式,對于提高艦船生命力具有非常重要的意義。4加筋板架結(jié)構(gòu)爆炸載荷作用下艦船板架的變形與撕裂,將會給人員和生命財產(chǎn)帶來巨大的威脅。因此,積極開展爆炸及其作用下結(jié)構(gòu)的響應分析研究具有非常重要的意義。而加筋板架結(jié)構(gòu)是艦船中最為常見的形式(如雙層底、舷側(cè)、甲板結(jié)構(gòu)),爆炸作用