船舶舷側(cè)結(jié)構(gòu)的抗爆性能研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)

船舶舷側(cè)結(jié)構(gòu)的抗爆性能研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoUniversityfortheDegreeofMasterResearchandOptimizationofSidewithMechanicalPropertiesofBlast-resistance萬方數(shù)據(jù)萬方數(shù)據(jù)萬方數(shù)據(jù)摘要隨著國防科技的快速發(fā)展，各種水面作戰(zhàn)武器的打擊力度及打擊精度都大幅提高，打擊手段也不斷豐富，在一線服役的艦船遭受武器攻擊和破壞的風(fēng)險(xiǎn)隨之不斷升高。為了能夠?qū)λ卤鞯墓糇龀鲇行У姆雷o(hù)，保證水面艦船在受到攻擊后仍然保有生命力，各個國家都在積極地開展水下爆炸載荷作用機(jī)理、結(jié)構(gòu)在水下爆炸作用下的響應(yīng)機(jī)理以及結(jié)構(gòu)抗沖擊性能理論、優(yōu)化設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的理論及實(shí)驗(yàn)研究，并不斷探索和提出新型的抗沖擊舷側(cè)結(jié)構(gòu)。艦船舷側(cè)結(jié)構(gòu)在遭受水下爆炸載荷作用時(shí)，會在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生非常復(fù)雜的非線性動態(tài)響應(yīng)，是一個強(qiáng)非線性問題。想要通過數(shù)學(xué)模型來得到此類復(fù)雜問題的解析解是非常困難的，同時(shí)，試驗(yàn)研究也受限于其試驗(yàn)本身的不確定性和資金問題，無法大規(guī)模應(yīng)用。在這樣的背景之下，本文采用數(shù)值仿真試驗(yàn)的方法，既解決了數(shù)學(xué)模型求解難的問題，也不存在過多資金成本的問題，從爆炸載荷特性、不同形式的舷側(cè)結(jié)構(gòu)對載荷的響應(yīng)以及舷側(cè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)幾個方面入手對水下爆炸載荷下的船舶結(jié)構(gòu)響應(yīng)以及優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，并討論了不同形式結(jié)構(gòu)抗爆性能的差異。本文首先在研究了炸藥爆轟理論的基礎(chǔ)上，采用庫爾半理論半經(jīng)驗(yàn)公式，模擬了沖擊波載荷在艦船舷側(cè)結(jié)構(gòu)上的作用，為計(jì)算結(jié)構(gòu)的響應(yīng)提供了理論基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，本文通過顯示非線性有限元求解技術(shù)，對結(jié)構(gòu)簡化模型的動態(tài)響應(yīng)過程進(jìn)行了仿真模擬，計(jì)算結(jié)果給出了結(jié)構(gòu)在沖擊波載荷下的加速度、速度、位移等結(jié)構(gòu)響應(yīng)以及各部分構(gòu)件的吸能、比吸能水I平等結(jié)構(gòu)性能。同時(shí)，本文還從結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的角度給出了三種具有抗沖擊性能的舷側(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并針對每種設(shè)計(jì)對上述的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了分析和比較。結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)息息相關(guān)，結(jié)構(gòu)的板厚布置、結(jié)構(gòu)的形狀設(shè)計(jì)都或許會很大程度地影響到結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。為了探究結(jié)構(gòu)中各個參數(shù)對結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的影響，文章引入了試驗(yàn)設(shè)計(jì)對設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)和結(jié)構(gòu)響應(yīng)輸出的關(guān)系進(jìn)行了研究。同時(shí)使用智能優(yōu)化算法對結(jié)文章在優(yōu)化過程中還引入了近似模型的概念，并以該模型來代替計(jì)算成本較高的有限元數(shù)值計(jì)算過程，很大程度地降低了優(yōu)化設(shè)計(jì)方法中多次迭代造成的時(shí)間成本。最后，文章給出了一個實(shí)際復(fù)雜問題的實(shí)例，對某艦船的三個艙段PYTHON語言編寫可執(zhí)行ABAQUS型中，分別以舷側(cè)結(jié)構(gòu)的形式和板厚作為設(shè)計(jì)對象，按照預(yù)期性能設(shè)定目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行單目標(biāo)和多目標(biāo)的優(yōu)化，得到了可行的優(yōu)化設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：水下爆炸、舷側(cè)結(jié)構(gòu)、抗爆性能、優(yōu)化設(shè)計(jì)IIResearchandOptimizationofSidewithMechanicalPropertiesofBlast-resistanceABSTRACTtherapiddevelopmentofdefense-relatedscienceandtechnology,thestrengthandaccuracyofavarietyofsurfacewarfareweaponsaregreatlyimproved,aswellasthemeanstocombat.Consequently,theriskconstantlyincreasesthataservingvesselsuffersfromunderwaterexplosion.Inordertomakeaneffectiveprotectionagainstattackfromunderwaterweapons,ensuringthatthevesselcanstillmaintainvitalityaftertheattack,continuingtoexploreinnovativestructures,countriesallovertheworldareactivelyengagedinresearchesoftheoryandexperienceonmechanismofunderwaterexplosionandstructuralresponseunderunderwaterexplosionandtheoryofblast-resistanceandoptimizationdesign.Sidestructurepresentsverycomplexandnon-lineardynamicresponseinaquiteshortperiodoftime,whichisastronglynon-linearmechanicalproblem.extremelyhardtogetanalyticalsolutionsthroughamathematicalmodelforthiskindofproblems.Meanwhile,theexperimentstudyisalsolimitedandcannotbewidelyusedbecauseoffundingissuesandtheuncertaintyoftheexperiment.Inthiscontext,thisthesisusesnumericalsimulationmethodtoexplorethestructuralresponseandoptimizationunderunderwaterexplosion.Thestudymainlyincludesafewparts:thestudyofcharacteristicsofexplosiveload,thestudyofdynamicresponsesofdifferentsidestructuredesigns,theoptimizationofeachdesignandthedifferencesofblast-resistancebetweenthem.thisthesisgivesabriefintroductionofexplosivedetonationAccordingtotheexplosivedetonationthisthesissimulatestheexplosionloadsonsidestructuresusingsemi-theoreticalsemi-empiricalIIIformulaproposedbyCole.Thispartprovidesatheoreticalbasisforthefollowingcomputingofstructureresponses.Onthisbasis,thethesisusesnon-linearfiniteelementsolvertosimulatethedynamicresponsesofasimplifiedmodel.Thesimulationresultshowsthedynamicresponses,suchasacceleration,velocity,displacementofthestructure,andalsothelevelofenergyabsorptionandspecificenergyabsorption.Besides,fromtheperspectiveoftheblast-resistanceofstructure,thisthesisproposesthreestructuraldesigns.Thedynamicresponsesmentionedaboveareanalyzedandcomparedforeachdesign.Thedynamicresponseiscloselyrelatedtothedesignparameters.Eitherthethicknessarrangementofshellelementsortheshapeofthestructureisofgreatinfluencetothemechanicalproperties.DOE(designofexperiment)isintroducedtoexploretherelationshipamongthevariables.Intelligentoptimizationalgorithmsareusedtooptimizethesizeandshapetogettheoptimalsolutionwhichsatisfiestheconstraints.Also,theconceptofapproximatemodelisintroducedintheoptimizationprocess,whichisusedtoreplacethefiniteelementanalysiswithlittlecomputationalcost.Intheend,thisthesispresentsapracticalexamplewhichismorecomplex.AdetailedthreecabinmodelofvesselisestablishedautomaticallyinABAQUSbyusingPYTHONandparametricmodelingtechniques.Thentakethethicknessandshapeofsidestructureasdesignparameter.Runmulti-objectiveandsingle-objectiveoptimizationforthicknessandshapeoptimizationrespectively.Finally,theoptimalsolutionisobtained.KEYWORDS:underwaterexplosions,sidestructure,blastresistance,optimizationIV目錄第一章緒論11.111.231.2.1水下爆炸載荷研究現(xiàn)狀31.2.241.2.351.3船舶優(yōu)化設(shè)計(jì)需要解決的兩個問題61.3.1計(jì)算成本較高61.3.2參數(shù)化建模較困難61.47第二章92.192.2沖擊波及炸藥爆轟基本理論102.2.1沖擊波理論102.2.2爆轟波的CJ理論122.3水下爆炸載荷的半理論半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法142.3.1沖擊波作用階段152.3.2氣泡脈動階段172.419第三章船舶舷側(cè)結(jié)構(gòu)抗爆性能研究203.1傳統(tǒng)雙殼舷側(cè)結(jié)構(gòu)水下爆炸載荷下的響應(yīng)203.1.1有限元模型概述213.1.2模型響應(yīng)233.2具有抗沖擊性能的艦船舷側(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)363.2.1水平分叉型結(jié)構(gòu)373.2.2Y型結(jié)構(gòu)403.2.3半圓型結(jié)構(gòu)44V3.2.4483.352第四章534.1優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本概念 534.2534.3544.4具有抗沖擊性能艦船舷側(cè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)564.4.1尺寸優(yōu)化574.4.2形狀優(yōu)化614.564第五章655.1655.2船舯三艙段有限元模型 655.3665.3.1優(yōu)化設(shè)計(jì)變量675.3.2約束條件695.3.3目標(biāo)函數(shù)705.3.4優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)描述705.4優(yōu)化算法與實(shí)現(xiàn)途徑 705.4.1遺傳優(yōu)化算法715.4.2模型響應(yīng)預(yù)報(bào)725.5785.5.1板厚優(yōu)化785.5.2形狀優(yōu)化805.5.3綜合優(yōu)化805.5.4優(yōu)化結(jié)果對比815.681第六章結(jié)束語82參考文獻(xiàn)84致 謝88攻讀碩士學(xué)位期間已發(fā)表或錄用的論文89VI第一章緒論1.1研究背景和研究目標(biāo)近年來，我國的領(lǐng)海權(quán)益不斷遭受一些鄰國的侵犯，甚至有部分爭端還在不斷2003年釣魚島海域的撞船事件更讓中日關(guān)系一度緊繃；與韓國在東海和黃海都存在領(lǐng)海爭端，相比于與日本的爭端，爭議面積還要大2萬平方公里；與越南、菲律賓、馬來西亞和文萊等國在南沙群島的領(lǐng)土爭端更是可以追溯到十九世紀(jì)七十年代，目前被侵占的島嶼多達(dá)40多個。作為一個不主張武力解決爭端問題的大國，軍事力量作為一種震懾力量在掌控領(lǐng)海爭端問題的格局上起著至關(guān)重要的作用。在軍事沖突期間，在一線執(zhí)行戰(zhàn)斗任務(wù)的艦隊(duì)可能會遭到各式各樣的水面戰(zhàn)斗武器的攻擊，其中以反艦導(dǎo)彈、反雷達(dá)導(dǎo)彈以及魚雷為威脅水面艦艇生命力的主要?dú)淦鳌．?dāng)受到這些武器攻擊的時(shí)候，即使結(jié)構(gòu)距離爆炸中心有一定距離，其艦船的結(jié)構(gòu)、設(shè)備和人員也可能會承受不同程度不可逆的傷害。特別是近年來，隨著科技發(fā)展，水下兵器的打擊力度、打擊精度、打擊手段都逐漸強(qiáng)化和豐富，一旦設(shè)備或結(jié)構(gòu)遭到破壞，輕則喪失戰(zhàn)斗力，重則艦毀人亡。軍事力量在面對這些戰(zhàn)爭中的主要威脅時(shí)，作戰(zhàn)能力是一方面，更重要的是遭受此類沖擊載荷作用時(shí)船體的抵抗能力。舉一個例子，1982年英國驅(qū)逐艦謝菲爾德號在馬島海戰(zhàn)中被一枚掠海飛行的導(dǎo)彈擊中了舷側(cè)，并因此艦沉大海，而在二戰(zhàn)時(shí)美國的一艘小排水量艦艇在遭受了日本四顆炸彈和五架裝滿炸彈的神風(fēng)飛機(jī)擊中仍舊順利返航。由此可見，開展水下爆炸載荷作用機(jī)理、結(jié)構(gòu)在水下爆炸作用下的響應(yīng)機(jī)理以及結(jié)構(gòu)抗沖擊性能理論、優(yōu)化設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的理論及實(shí)驗(yàn)研究對提高艦船生命力至關(guān)重要，具有舉足輕重的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。水下爆炸是指在水下發(fā)生的作用時(shí)間極短的，且在極小體積內(nèi)發(fā)生極大能量轉(zhuǎn)化的過程，主要可以分為接觸爆炸和非接觸爆炸。接觸爆炸主要是會造成結(jié)構(gòu)的局部破損，影響艦船生命力，如錯誤！未找到引用源。所示；非接觸爆炸主要是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變形、各類設(shè)備嚴(yán)重及大范圍破壞，嚴(yán)重時(shí)會產(chǎn)生艦船結(jié)構(gòu)的破壞，1-21第二，沖擊所引起的結(jié)構(gòu)位移過大，破壞設(shè)備的正常工作環(huán)境，導(dǎo)致設(shè)備失效；第三，爆炸強(qiáng)度大，致使結(jié)構(gòu)損壞。因此，對結(jié)構(gòu)速度、加速度、結(jié)構(gòu)位移等動態(tài)響應(yīng)特征的研究對于優(yōu)化艦船的性能和生命力有著十分重要的作用。與此同時(shí)，艦船的抗沖擊防護(hù)和優(yōu)化研究也是艦船抗沖擊性能研究的一個非常重要的內(nèi)容，它主要涵蓋了艦船結(jié)構(gòu)抗爆的防護(hù)機(jī)理和試驗(yàn)研究以及新型的抗沖擊結(jié)構(gòu)研究兩個部分。事實(shí)證明，吸能效果好、制造工藝簡、結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕并且能夠滿足強(qiáng)度等各方面設(shè)計(jì)要求的新型結(jié)構(gòu)能夠很大程度地提高艦船的抗沖擊能力。而如何設(shè)計(jì)出這樣的結(jié)構(gòu)是目前艦船研究的一個熱點(diǎn)問題。圖1-1水下接觸爆炸產(chǎn)生的局部毀傷Figure1-1LocalDamageCausedbyContactExplosion圖1-2水下非接觸爆炸產(chǎn)生的大面積變形及局部毀傷Figure1-2DeformationandDamageCausedbyNon-contactExplosion2目前對于水下爆炸及對結(jié)構(gòu)作用的方法主要有三種：理論研究、實(shí)驗(yàn)研究以及同時(shí)，由于水下爆炸沖擊波和艦體結(jié)構(gòu)存在耦合且水下爆炸問題自身就存在許多復(fù)雜影響因素，企圖使用解析法通過建立精確的數(shù)學(xué)模型來研究此類問題是十分困難的。相反，通過實(shí)驗(yàn)法的研究可以獲取相對精確可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但鑒于艦船自身昂貴的造價(jià)以及單個樣本對于普遍適用性結(jié)論極其局限性的貢獻(xiàn)，實(shí)驗(yàn)法的研究也無法系統(tǒng)進(jìn)行。不過近幾年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)有了快速發(fā)展，硬件性能也有大幅度的提升，高精度的數(shù)值仿真得到了越來越多學(xué)者的關(guān)注，逐漸成為水下爆炸沖擊響應(yīng)研究的最主要的方法。本文主要針對實(shí)際工程問題，綜合考慮水下爆炸問題和優(yōu)化問題。一方面對于艦船舷側(cè)結(jié)構(gòu)在瞬時(shí)載荷作用下的響應(yīng)進(jìn)行研究，同時(shí)對已提出的抗沖擊結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究和對比，解決滿足強(qiáng)度穩(wěn)性要求下的船舶抗沖擊性能的優(yōu)化問題；另一方面展開對于艦船舷側(cè)抗沖擊結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化的研究，探索新型輕量化的舷側(cè)抗沖擊結(jié)構(gòu)，這對于提高艦船的各項(xiàng)性能具有重要意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1水下爆炸載荷研究現(xiàn)狀在水下爆炸的理論研究方面，RobertHughCole于1948年出版的《Underwater1941年到1946年間美國的相關(guān)研究成果為基礎(chǔ)，詳細(xì)地解釋了水下爆炸的基本現(xiàn)象、物理和化學(xué)變化特性、水下爆炸載荷的傳播過程和分布特點(diǎn)、水下爆炸的試驗(yàn)研究方法以及水下爆炸的破壞過程，除此之外還在理論層面探討了水下爆炸的機(jī)理。B.V.Zamyshlyaev緊接其后，于1973年出版了著作《DynamicLoadsinUnderwaterExplosion》[2,3]，其中Zamyshlyaev推導(dǎo)給出了不同情況水下爆炸的載荷公式。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏的環(huán)境之下，Cole和Zamyshlyaev的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式被沿用至今，仍然是現(xiàn)今理論研究的一個重要基礎(chǔ)。與理論并行的試驗(yàn)研究也一直是水下爆炸研究的重要手段，是水下爆炸最直接的數(shù)據(jù)獲取來源，可以獲得準(zhǔn)確可靠的結(jié)果。目前水下爆炸的試驗(yàn)研究方法主要有高速攝影技術(shù)和水下爆炸載荷測試技術(shù)。高速攝影技術(shù)主要用于水下爆炸氣泡脈動3過程的研究，AkioKira通過該技術(shù)研究了大劑量球形爆炸物水下爆炸的現(xiàn)象以及水下沖擊波的傳播軌跡[4]；KenjiMurata精確測量了水下爆炸這一現(xiàn)象[5]；H.G.Snay通過高速攝影技術(shù)獲得了氣泡產(chǎn)生以及脈動過程的資料，研究了半無限水介質(zhì)中水下爆炸的流體力學(xué)[6]；John.M.Brett進(jìn)行了1kg至5kg藥當(dāng)量水下爆炸的高速攝影試驗(yàn)數(shù)的研究數(shù)據(jù)，得到了隨裝藥深度增加，氣泡脈動周期、最大半徑都呈減小趨勢，使用半理論半經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算方法得到了沖擊波壓力隨距離變化的公式[1];Slike對深水無限介質(zhì)中爆炸載荷的分布特性進(jìn)行了研究[9]；Swisdak研究了裝藥密度和裝藥半徑對壓力變化的影響[10]；錢勝國等人提出了從爆炸能量溢出與爆深的關(guān)系修正Cole沖擊波壓力公式的觀點(diǎn)[11]；王中黔等人進(jìn)行了一系列集中藥包水下爆炸的測試，研究了沖擊波壓力和水深的關(guān)系，回歸得到10m水深單藥包裸露爆炸沖擊波壓力計(jì)算公式[12]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，水下爆炸載荷的數(shù)值研究方法逐漸成為主流的研究方法之一。爆炸力學(xué)的問題通?？梢圆捎秒p曲型偏微分方程組來描述，比普通的流體力學(xué)問題和結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題要復(fù)雜許多。為了使數(shù)值模擬能夠求解此類問題，必須將連續(xù)的微分方程組離散，方法主要有有限差分法和有限元法。其中有限元法由于運(yùn)動方程獨(dú)立于網(wǎng)格形狀以及便于編程計(jì)算的特點(diǎn)在水下爆炸載荷的研究中得Klaseboer[14]、魯傳敬[15]、劉榕海[16]等人對氣泡的形成和脈動過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了該過程氣泡半徑、脈動周期以及能量變化等動力特性。Chan[17]、Britt[18]、王繼海[19]等人對沖擊波的產(chǎn)生和傳播過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了水下爆炸的沖擊效應(yīng)和反射變化。1.2.2水下爆炸載荷作用下的艦船結(jié)構(gòu)動響應(yīng)研究現(xiàn)狀水下爆炸載荷的研究表明，水下爆炸會形成沖擊波、氣泡脈動和空化效應(yīng)，作用在結(jié)構(gòu)上的載荷主要包括兩個階段：沖擊波載荷和氣泡脈動載荷。試驗(yàn)研究領(lǐng)域主要包含了水下爆炸載荷對簡單結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)以及對實(shí)船動態(tài)響應(yīng)的試驗(yàn)研究。在對簡單結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)研究問題上，Rajendran[20,21]、Ramajeyathilagam[22]、Houlston[23,24]、張效慈[25]等人分別就不同強(qiáng)度、不同材料、不4同形狀的矩形板、圓柱殼等局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系列試驗(yàn)研究，獲得了應(yīng)變、位移等參因此相關(guān)資料相對少見，現(xiàn)有的資料包括1992上的六次爆炸試驗(yàn)、意大利對一艘2500噸驅(qū)逐艦的實(shí)船爆炸試驗(yàn)以及國內(nèi)對某艦船的非接觸爆炸試驗(yàn)，獲取的數(shù)據(jù)結(jié)果主要包括加筋板在載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)分布情況、艦船在震蕩效應(yīng)下的振型和頻率以及爆炸對于總縱強(qiáng)度和局部強(qiáng)度的影響。和水下爆炸載荷的研究相同，數(shù)值模擬在結(jié)構(gòu)響應(yīng)的研究中也占有非常重要的位置。水下爆炸對于結(jié)構(gòu)局部的作用往往可以反映爆炸載荷對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的本質(zhì)，而艦船水下的結(jié)構(gòu)大都可以看作是板梁組合的結(jié)構(gòu)，因此在數(shù)值模擬方法的研究中許多都是針對板梁結(jié)構(gòu)的。其中Ramajeyathilagam對于矩形板在不同藥當(dāng)量、不同距離下的瞬態(tài)非線性動力響應(yīng)進(jìn)行了模擬，并與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果較為吻合[22]；Rajendran在模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上利用半解析的方法回歸了矩形板[20]和圓柱殼[21]的應(yīng)變分布函數(shù)；吳有生等人考慮了發(fā)生大變形時(shí)的應(yīng)變關(guān)系和中面力的影響，用能量法提出了適用非接觸爆炸的單向加筋的板架塑性變形的能量公式[26]。與此同時(shí)，也有不少學(xué)者也引入了具體的船舶結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，姚熊亮研究了雙層殼結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下動態(tài)響應(yīng)的分布情況[27]；陳永念使用流固耦合的方法得到了艦船各個部分在載荷作用下的吸能貢獻(xiàn)[28]；馬欣等人研究了雙層底結(jié)構(gòu)單元的抗沖擊性能[29]。1.2.3艦船抗沖擊結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀船體結(jié)構(gòu)是艦船生命力的基礎(chǔ)，更安全的整船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及船體局部抗沖擊結(jié)構(gòu)的布置都將非常有效地提高艦船的生命力。在越來越強(qiáng)大的水中武器攻擊之下，研究和采用新型抗沖擊的結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)成為艦船研究的一個熱點(diǎn)。當(dāng)下，各國的研究機(jī)構(gòu)都在提高艦船結(jié)構(gòu)及設(shè)備的抗沖擊性能上加大研究力度。在單舷側(cè)船體的抗沖擊結(jié)構(gòu)的研究上，KitamuraO提出了骨架板和波紋板的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了模型試驗(yàn)[30]；Santosa研究了比強(qiáng)度大、比剛度大、比吸能大的蜂窩夾層板結(jié)構(gòu)[31]；LeeJW和PetershagenH提出了NOAHS和NOAHSⅡ兩種新式雙殼設(shè)計(jì)[32]；Niessen提出了雙層隔壁以及箱式縱桁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[33]；Guruprasad研究了一種用于吸能的犧牲覆層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)用具有比強(qiáng)度大、比剛度大、比吸能大的優(yōu)點(diǎn)[34]；國內(nèi)，王自力[35]、張延昌[36]、趙桂平[37]等人研究了夾層板在防護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用；姚熊亮設(shè)計(jì)了Y型夾層板吸能結(jié)構(gòu)形式[38]，胡志強(qiáng)等人對Y型結(jié)構(gòu)的耐撞性進(jìn)行了研究[39,40]；藺曉紅等5人對不同形式的吸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比[41]；王自力、顧永寧、姜金輝等人還提出了多種耐撞單殼、雙殼結(jié)構(gòu)[42,43,44]。1.3船舶優(yōu)化設(shè)計(jì)需要解決的兩個問題1.3.1計(jì)算成本較高優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是一種以迭代計(jì)算作為尋找最優(yōu)設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)方法，在船舶領(lǐng)域中的應(yīng)用主要依靠計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和最優(yōu)化數(shù)值方法兩個部分。前者對于船舶類的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即便計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展相當(dāng)迅猛，但對于大型結(jié)構(gòu)，特別是復(fù)雜結(jié)構(gòu)來說，隨著模型的增大以及單元網(wǎng)格的加密，應(yīng)用有限元法或計(jì)算流體力學(xué)等數(shù)值計(jì)算方法在仿真過程就需要花費(fèi)相當(dāng)?shù)臅r(shí)間成本，再加上后者尋優(yōu)所需的迭代過程會隨著設(shè)計(jì)變量、約束條件的增多以及隨著問題的非線性增強(qiáng)大幅增加，無疑時(shí)間成本將是非常巨大的。同時(shí)，考慮到現(xiàn)今學(xué)科的交融，多目標(biāo)和多學(xué)科的綜合優(yōu)化問題更將放大這一問題。針對這一問題，主要的解決辦法有兩種，一種是進(jìn)行模型簡化，將有限元模型通過各種力學(xué)分析進(jìn)行簡化，然后盡量使用較少、較規(guī)則的結(jié)構(gòu)化單元；另一種是進(jìn)行結(jié)構(gòu)分解，按照結(jié)構(gòu)部位將船舶劃分為多個模塊，各個模塊在分析、計(jì)算和優(yōu)化過程中相互獨(dú)立，這樣一來分析的時(shí)間就會大大減小。1.3.2參數(shù)化建模較困難優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)和優(yōu)化算法的反復(fù)迭代過程，在每一次的迭代過程中，結(jié)構(gòu)的參數(shù)甚至是模型的形狀都需要做出相應(yīng)調(diào)整，若在這個過程中全部采用人工操作，不僅效率低下，而且容易出現(xiàn)細(xì)節(jié)上的錯誤。因此，尋優(yōu)迭代過程中建模、有限元分析和結(jié)果判斷等工作最好可以由計(jì)算機(jī)自動化實(shí)現(xiàn)，避免人為的干預(yù)。目前，有限元計(jì)算分析與數(shù)值判斷的工作已有成熟的仿真計(jì)算軟件（例如Abaqus、Nastran、Ansys和Fluent等）和優(yōu)化平臺（例如Optistruct、iSIGHT等）來實(shí)現(xiàn)，然而對于自動花建模這一問題，在優(yōu)化中還是一個難點(diǎn)。不過，現(xiàn)今主要的幾款數(shù)值仿真軟件的前處理工具均具有強(qiáng)大的編程功能，如Abaqus的Python語言，Patran的PCL語言以及Ansys的APDL語言等，都為用戶提供了使用程序與軟件交互的平臺，這就為優(yōu)化過程中的參數(shù)化建模提供了一個便6利條件。1.4本文的主要研究內(nèi)容水下爆炸的過程非常復(fù)雜，它與炸藥的類型、藥量的多少、爆距的大小、水下的環(huán)境等都有著非常緊密的聯(lián)系。在研究水下爆炸載荷的形成時(shí)，通常簡化為三個階段：炸藥的爆轟階段、沖擊波的產(chǎn)生和傳播階段、氣泡的形成和脈動階段。艦船承受水下爆炸攻擊時(shí)，結(jié)構(gòu)在極短的時(shí)間內(nèi)遭受巨大沖擊載荷作用，會出現(xiàn)非常復(fù)雜的非線性動態(tài)響應(yīng)過程，屬于大變形問題，具有很強(qiáng)的非線性。因此，進(jìn)行艦船在承受水下爆炸載荷時(shí)的抗沖擊性能的研究必須從炸藥爆炸和以及結(jié)構(gòu)非線性響應(yīng)兩個方向入手。本文從這兩個方面著手進(jìn)行艦船抗沖擊舷側(cè)的研究。具體的研究思路為：水下爆炸理論及數(shù)值模擬方法研究、水面艦船結(jié)構(gòu)在水下爆炸載荷沖擊下的動態(tài)響應(yīng)研究、艦船新型抗沖擊結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、抗沖擊結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。各章節(jié)介紹的內(nèi)容主要包括：第二章主要對水下爆炸載荷的基本理論和數(shù)值模擬方法進(jìn)行了研究。該章節(jié)根據(jù)炸藥爆轟理論、沖擊波理論以及氣泡動力學(xué)理論模擬了水下爆炸載荷對于結(jié)構(gòu)的ABAQUS對于水下爆炸載荷進(jìn)行了數(shù)值模擬。載荷主要分為兩個部分施加的結(jié)構(gòu)上，首先作用在結(jié)構(gòu)上的是炸藥爆轟產(chǎn)生的沖擊波載荷，隨后是由氣泡脈動產(chǎn)生的射流載荷。第三章主要對水面艦船在水下爆炸載荷沖擊下的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。提取了受沖擊局部結(jié)構(gòu)的位移、速度、加速度等典型響應(yīng)特征，分析了爆距對舷側(cè)結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)的影響。同時(shí)，對舷側(cè)各部分結(jié)構(gòu)塑性變形能量吸收特點(diǎn)進(jìn)行了研究，在結(jié)構(gòu)變形吸能理論的基礎(chǔ)上，對當(dāng)前提出的幾種抗沖擊的吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。通過有限元進(jìn)行數(shù)值模擬，對比了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式和新型抗沖擊結(jié)構(gòu)形式的動態(tài)響應(yīng)特征以及吸能特點(diǎn)，比較了幾種結(jié)構(gòu)形式的抗沖擊效果。第四章主要對傳統(tǒng)舷側(cè)結(jié)構(gòu)形式以及幾種新型抗沖擊舷側(cè)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化。對比其優(yōu)化后在結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)和吸能水平上的變化，歸納總結(jié)幾種抗沖擊結(jié)構(gòu)形式最優(yōu)解的材料分布規(guī)律。第五章主要介紹Y型舷側(cè)吸能結(jié)構(gòu)在艦船舷側(cè)上的應(yīng)用以及考慮到艦船對輕量ABAQUS大型非線性有限元軟件中建立船體三艙段有限元模型，在建模過程中引入?yún)?shù)化建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)建模自動化；使用7ABAQUS/EXPLICIT求解器進(jìn)行非線性有限元分析；在優(yōu)化流程中引入試驗(yàn)設(shè)計(jì)和近似模型進(jìn)行響應(yīng)的預(yù)報(bào)，并在此基礎(chǔ)上通過優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化，改變了板厚的布置以及Y型構(gòu)件的形狀，實(shí)現(xiàn)船體輕量化及抗爆性能的雙向提升。8第二章水下爆炸載荷及計(jì)算方法研究2.1引言水下爆炸載荷作為艦船設(shè)備與結(jié)構(gòu)沖擊動態(tài)響應(yīng)計(jì)算的輸入條件，是艦船設(shè)備沖擊環(huán)境與艦船結(jié)構(gòu)抗沖擊性能研究的重要前提和基礎(chǔ)，為準(zhǔn)確描述艦船設(shè)備與艦船結(jié)構(gòu)在水下爆炸載荷作用時(shí)的力學(xué)行為與力學(xué)性能，首先要對水下爆炸載荷進(jìn)行細(xì)致的研究。水下爆炸是指在極短的時(shí)間內(nèi)，在水下的極小體積或面積內(nèi)發(fā)生極大能量轉(zhuǎn)換的過程。這個過程中包含了極其復(fù)雜的物理現(xiàn)象和化學(xué)變化，在研究水下爆炸時(shí)，往往將其全過程劃分為三個階段：第一個階段為裝藥爆轟階段；第二個階段為沖擊波產(chǎn)生和傳播階段；第三個階段為氣泡形成和脈動階段。裝藥的爆轟的階段是一個化學(xué)反應(yīng)傳輸?shù)倪^程，它伴隨著快速能量釋放，化學(xué)能迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问侥?。這個階段主要涵蓋了化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)過程以及流體力學(xué)運(yùn)動過程，此二者相互耦合，相互作用，相互影響。當(dāng)炸藥在水介質(zhì)中爆炸時(shí)，爆炸產(chǎn)物迅速向周圍運(yùn)動。包裹密度、壓力驟然升高，形成了初始的沖擊波。在沖擊波沿介質(zhì)傳播開之后，爆炸產(chǎn)物仍然在水下以氣泡的形式存在著，并伴隨著反復(fù)的膨脹與壓縮，產(chǎn)生附加的氣泡脈動壓力，在一次爆炸中，這種氣泡脈動可以多達(dá)十幾次。通常，在水下爆炸的過程中，沖擊波的壓力峰值很大，但持續(xù)的時(shí)間較短，一般情況下在幾十到數(shù)百毫秒的量級，因而容易造成艦船及水下結(jié)構(gòu)的局部變形；相較于沖擊波階段，氣泡脈動階段壓力的峰值較低，但持續(xù)的時(shí)間相對較長，這個階段的爆炸載荷容易使結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，造成總體結(jié)構(gòu)的損傷。由于水下爆炸這一過程涉及了復(fù)雜的物理化學(xué)變化，因此對其進(jìn)行詳盡的理論研究或是通過建立數(shù)學(xué)模型的方式獲取解析解基本是不可能的。除去這個部分，目前主要在進(jìn)行水下爆炸研究的方法有三種：試驗(yàn)研究法、半理論半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法以及計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法。水下爆炸試驗(yàn)是對水下爆炸現(xiàn)象的動態(tài)變化過程最直接、最全面、最完整、最準(zhǔn)確的記錄，通過水下爆炸試驗(yàn)可以獲得水下爆炸載荷分布和變化的特點(diǎn)，但由于試驗(yàn)受水下各種環(huán)境因素的影響，單一或者個別的水下爆炸試驗(yàn)9研究很難對結(jié)論進(jìn)行有力的佐證，而該項(xiàng)試驗(yàn)極其昂貴，又無法經(jīng)常性地采用，因此始終缺乏此類研究的成果。在1948年美國學(xué)者Cole總結(jié)了相關(guān)的研究成果提出了Cole半理論半經(jīng)驗(yàn)公式，該公式反映了水下爆炸載荷分布的特點(diǎn)及隨時(shí)間變化的規(guī)律，便于使用且具有較好的計(jì)算精度，時(shí)至今日仍被理論學(xué)者廣泛使用，但是該公式仍具有一定局限性，它只能獲得水下爆炸時(shí)水中各點(diǎn)的載荷分布情況，而無法近年來，隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的迅速發(fā)展以及計(jì)算機(jī)硬件水平的不斷提高，通過數(shù)值模擬的方法對水下爆炸過程進(jìn)行仿真成為了可能，通過非線性有限元的技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬得到的結(jié)果相對全面也較為精確，已經(jīng)成為國際上水下爆炸載荷以及艦船結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究的主要方法。在本章節(jié)中，主要介紹了炸藥爆轟理論以及沖擊波基本理論，較為全面地闡述了水下爆炸的過程和載荷分布的特點(diǎn)，為后面在結(jié)構(gòu)上施加水下爆炸載荷做了一個很好的鋪墊。2.2沖擊波及炸藥爆轟基本理論2.2.1沖擊波理論當(dāng)在流體中形成壓縮波時(shí)，其波陣面后的擾動比波陣面前的擾動傳播更快，這些擾動會在波頭處堆積。流體介質(zhì)從未被擾動的狀態(tài)到被壓縮狀態(tài)的變化是在很薄的區(qū)域內(nèi)發(fā)生的，而且?guī)缀跏窃谒矔r(shí)間完成的，因此在許多情況下會采用間斷模型描述這個物理過程，這里的間斷就是沖擊波。基于連續(xù)假定的流體力學(xué)方程組在沖擊波兩側(cè)的連續(xù)流動區(qū)域仍然適用，但在沖擊波波頭處不再適用，因此在考慮這一問題時(shí)，要以沖擊波上的量作為邊界條件。沖擊波前的原始爆炸物與其后方的爆轟P和比體積V變化的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程變量是一個包含很多分量的矢量，其中的每一個分量都代表某一反應(yīng)道的反應(yīng)進(jìn)程變量。同時(shí)，將沖擊波視作一個強(qiáng)間斷面的假設(shè)可以避免復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，用來表征化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度，對原始爆炸物有0，對爆轟產(chǎn)物有1。即只涉及0與1這兩個狀態(tài)的物質(zhì)的能量關(guān)系，而與處在01過程的物質(zhì)行10為無關(guān)。令比熱力學(xué)能e的函數(shù)為e(P,V,)，那么e(0)(P,V)e(P,V,

(2-1)(P,V)e(P,V

(2-2)在考慮間斷條件時(shí)，由質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒三大守恒定律可以推導(dǎo)出沖擊波兩側(cè)各個物理量的相互關(guān)系。如果用下標(biāo)0表示沖擊波前方的物理量，用下標(biāo)j表示沖擊波后方的各物理量，那么可以得到?jīng)_擊波的三個基本關(guān)系式：質(zhì)量守恒關(guān)系：單位時(shí)間內(nèi)流入單位波面的質(zhì)量與流出單位波面的質(zhì)量守恒。0)juj)

(2-3)動量守恒關(guān)系：單位時(shí)間內(nèi)動量的變化等于單位面積上的作用力。0u0uj)

(2-4)能量守恒關(guān)系：單位時(shí)間單位面積上的能量變化等于單位面積力做的功。m(IjI0)Pjuj

(2-5)式中為物質(zhì)密度，P為壓力，u為質(zhì)點(diǎn)速度，vw為沖擊波波速，I為單位時(shí)間單位質(zhì)量物質(zhì)的總內(nèi)能。引入物質(zhì)的比體積V1，式(2-4)可以寫作：0 j20 j

u)2

2(v

u)2PP

(v

u)2(v

u)20w 0jw jm2

V)

(2-6)j 0 jw j

0w 0

0 j式(2-6)即為Rayleighvw和波陣面一側(cè)的狀態(tài)已知時(shí)，另一側(cè)的PV關(guān)系是線性的。根據(jù)式(2-5)還可以推知：(P,V)e(0)(P,V)1(PP)(v

v)

(2-7)2 j 0 0 j式(2-7)被稱為沖擊波的Hugoniot曲線。同時(shí)，在介質(zhì)的狀態(tài)方程給出的條件下，只要已知波后密度、速度、壓力和波速四個物理量中的一個，就可以根據(jù)沖擊波的關(guān)系求出其他三個。2.2.2爆轟波的CJ理論爆轟波是一種沿爆炸物傳播的強(qiáng)沖擊波。當(dāng)爆炸物受到強(qiáng)烈的沖擊作用時(shí)，會立即發(fā)生高速化學(xué)反應(yīng)，形成高溫、高壓的爆轟產(chǎn)物并在此過程中放出大量熱能，這些能量又被用來支持爆轟波對下一層爆炸物進(jìn)行沖擊壓縮。最初對于爆轟波的研究始于1881年Berthelot和對于氣相爆炸物的觀察。19世紀(jì)末20世紀(jì)初，Chapman和Jouguet論，簡稱為爆轟波的CJ理論。該理論中有幾個假設(shè)：第一，把爆轟波視為一個強(qiáng)間斷面；第二，爆轟波通過后化學(xué)反應(yīng)瞬間完成并放出化學(xué)反應(yīng)熱，反應(yīng)產(chǎn)物處于熱化學(xué)平衡及熱力學(xué)平衡狀態(tài)；第三，流動是一維的，不考慮熱傳導(dǎo)、熱輻射以及粘滯摩擦等耗散效應(yīng)；第四，爆轟波陣面?zhèn)鞑ミ^程是定常的。CJ理論將爆轟波視為帶有化學(xué)反應(yīng)的沖擊波，它的波陣面是由處于前沿的沖擊波波陣面與其后的高速化學(xué)反應(yīng)區(qū)構(gòu)成的，它將未爆轟的原始爆炸物與爆轟終了的爆轟產(chǎn)物分隔開來。沖擊波波陣面的前端是原始爆炸物，高速化學(xué)反應(yīng)區(qū)的末端平面，也就是CJ平面之后，為化學(xué)反應(yīng)過程基本完成后形成的爆轟產(chǎn)物，也就是說CJ2-1所示。圖2-1爆轟波波陣面示意圖Figure2-1SchematicDiagramofDetonationFront爆轟波與沖擊波類似，在其波陣面上仍然滿足質(zhì)量守恒、動量守恒以及能量守恒。設(shè)爆轟波傳播速度為vwvwu0的速vwuj的速度流出，如果以下標(biāo)0表示波陣面前原始爆炸物的參j12質(zhì)量守恒關(guān)系：單位時(shí)間內(nèi)流入單位波陣面的質(zhì)量與流出單位波陣面的質(zhì)量守恒。0)juj)

(2-8)動量守恒關(guān)系：單位時(shí)間內(nèi)作用在介質(zhì)上的沖量與其動量的改變守恒。uj)u0)juj)

2(vu)2

0(vwu0uj)

(2-9)00w 0(v

u)I

P(v

u)1(v

u)(v

u)20w 00 0w

0 2w

0 w 0

(2-10)(v

u)I

P(v

u)1(v

u)(v

u)2jw j j jw j兩邊同時(shí)除以質(zhì)量m，即：

2w j w jIPV

1(v

u)2I

PV

1(v

u)2

其中：

0 00 2w 0

j jj

2w j(0) (0)IjI0(e

(P,V)Qj)(e

(P,V))(e

(P,V)e

(P,V))

(2-12)V1上面式中為物質(zhì)密度，P為壓力，u為質(zhì)點(diǎn)速度，vw為爆轟波波速， 為比體積，Ie根據(jù)式(2-8)和式(2-9)可以得到：vwu0Vj

(2-13)uju0Vj)Vj

(2-14)當(dāng)u00時(shí)，式(2-10)和式(2-11)可以寫作：vwVj

(2-15)ujVj)Vj

(2-16)13根據(jù)式(2-10)、式(2-15)和式(2-16)可以推導(dǎo)出：(P,V)e(0)(P,V)1(PP)(v

v)Q

(2-17)2 j 0 0 j 0式(2-14)即為爆轟波傳播的Rayleigh線，式(2-17)為爆轟波的Hugoniot方程，也稱為放熱的Hugoniot方程。Chapman首先提出，穩(wěn)定爆轟的狀態(tài)對應(yīng)于Rayleigh線和Hugoniot曲線的相切點(diǎn)處，隨后Jouguet進(jìn)一步闡明爆轟波相對波后產(chǎn)物的傳播速度與聲速相同，即：vwujc

(2-18)式(2-18)即為爆轟波穩(wěn)定傳播的CJ條件。由該式可知，爆轟波波陣面后方的稀疏波不會傳入爆轟反應(yīng)區(qū)之中，因此反應(yīng)區(qū)域內(nèi)所釋放的能量不會發(fā)生損失，全部將會用來支持爆轟波的定常傳播。2.3水下爆炸載荷的半理論半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法自從二次世界大戰(zhàn)以來，人們就逐漸重視起對水下爆炸的研究。比較早期的研究成果是1948年美國學(xué)者Cole出版的《Underwater1941年到1946年間美國的相關(guān)研究成果為基礎(chǔ)，詳細(xì)地解釋了水下爆炸的基本現(xiàn)象、物理和化學(xué)變化特性、水下爆炸載荷的傳播過程和分布特點(diǎn)、水下爆炸的試驗(yàn)研究方法以及水下爆炸的破壞過程，除此之外還在理論層面探討了水下爆炸的機(jī)理。根據(jù)大量水下爆炸載荷的測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，水下爆炸過程盡管十分復(fù)雜，但依然存在許多共性特征：首先，炸藥在水下發(fā)生爆轟時(shí)，周圍水介質(zhì)上的壓力變化具有突躍性。即爆炸中心的壓力在爆炸發(fā)生的瞬間就會增大到峰值，形成沖擊波的波前，以數(shù)倍于聲速的速度沿徑向傳播。隨后沖擊波強(qiáng)度會迅速衰減，大致按照指數(shù)規(guī)律下降，距離爆炸中心越遠(yuǎn)，沖擊波載荷越小。第二，距離爆炸中心較近的區(qū)域波陣面的最大壓力下降很快，而較遠(yuǎn)的區(qū)域較緩，接近于線性變化，波形也不斷地拉寬。第三，初始階段的沖擊波，波陣面上的壓力可高達(dá)1.01011Pa，傳播速度可達(dá)2.0107Pa接近聲速，其壓力變化特征可以近似地按照聲學(xué)傳播規(guī)律計(jì)算。14最后，氣泡脈動載荷的峰值越為沖擊波峰值壓力的百分之十到百分之二十，但其持續(xù)時(shí)間較沖擊波長。雖然峰值與持續(xù)時(shí)間不盡相同，但此二者沖量相近，因此絕不能夠忽視氣泡脈動階段載荷的破壞作用。2.3.1沖擊波作用階段基于這些共性特征的存在，Cole的《水下爆炸》中介紹了三種理論：基爾克烏特-別澤(Kirkwood-Beth)傳播理論、基爾克烏特-布林克里(Kirkwood-Brinkley)傳播理理根據(jù)完全不同，并且在做數(shù)值計(jì)算時(shí)采用的炸藥填充密度和爆炸熱不同，無法進(jìn)行幾種理論相對精度和主要限制等因素的直接比較。相對于幾種沖擊波的理論而言，工程上，人們更傾向于使用由相似理論得到的經(jīng)驗(yàn)公式。Cole給出的沖擊波壓力計(jì)算公式使用指數(shù)衰減的曲線描述沖擊波壓力，其結(jié)果與基爾克烏特-布林克里理論的計(jì)算結(jié)果以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本都吻合得較好，是世界公認(rèn)的計(jì)算沖擊波壓力的經(jīng)典公式，表達(dá)式如式(2-19)所示。te

(0t) (2-19)式中，是沖擊波波陣面上的最大壓力(MPa)，最大壓力和時(shí)間常數(shù)同裝藥質(zhì)量W(kg)以及監(jiān)測點(diǎn)與炸藥中心的距離R(m)有關(guān)，可以由式(2-20)和式(2-21)計(jì)算得到。PW

13

(2-20)m R 1WW3

13

103

(2-21)R 式中，W為裝藥質(zhì)量(kg)，R為監(jiān)測點(diǎn)與炸藥中心的距離(m)，即爆距。公式中的參數(shù)、與炸藥的屬性有關(guān)，取值如表2-1所示。15表2-1幾種炸藥在沖擊波公式中的試驗(yàn)參數(shù) C-48.11.060.027-0.13TNT84-0.23PBXW-11510-0.21裝藥類型 根據(jù)表2-1給出的參數(shù)可知，在無限深的自由流場中，TNT球形炸藥水下爆炸生成的沖擊波在水中傳播時(shí)，波陣面上的最大壓力和時(shí)間常數(shù)分別如式(2-22)和式(2-23)所示：11.131W 3W 53.3R

(2-22) 1W0.084W3131

103

(2-23)R 作用時(shí)間等因素相關(guān)，其作用幅值隨距作用時(shí)間增大而減小，呈指數(shù)衰減趨勢，示意圖如圖2-2所示。圖2-2沖擊波載荷隨時(shí)間變化曲線16Figure2-2LoadCurveofShock但當(dāng)爆距足夠大時(shí)，水中的沖擊波壓力峰值很小，當(dāng)沖擊波峰值壓力小于2107Pa時(shí)，沖擊波峰值隨著距離呈線性衰減的趨勢。PP R'm 0P'P R

(2-24)m 0m式中，和P'分別是與爆炸中心距離Rm

和R'處的沖擊波最大壓力，是該處的靜水壓力。2.3.2氣泡脈動階段當(dāng)沖擊波離去之后，爆炸產(chǎn)物在水中仍然以氣泡的形式存在著并且繼續(xù)膨脹，由于包裹周圍的水體介質(zhì)存在慣性運(yùn)動，氣泡即使在壓力降到與周圍環(huán)境的靜壓相同時(shí)也不會停止膨脹，也就是產(chǎn)生了所謂的過度膨脹，直至達(dá)到脈動過程中的最大半徑。此時(shí)，氣泡內(nèi)的氣體壓力已經(jīng)低于周圍環(huán)境水體介質(zhì)的靜壓力，因而周圍的水體開始反向運(yùn)動，沿徑向向中心壓縮氣泡。同過度膨脹的過程一樣，在水體介質(zhì)的慣性運(yùn)動作用之下，氣泡會在這個過程中被過度壓縮，氣泡內(nèi)的壓力又高于周圍環(huán)境水體的靜壓力，一直到氣泡內(nèi)氣體的彈性阻止氣泡繼續(xù)壓縮而達(dá)到新的平衡，至此完成了氣泡脈動的第一個循環(huán)。由于氣泡壓力大于周圍環(huán)境的靜壓，上述的氣泡膨脹和壓縮的過程將會反復(fù)持續(xù)地循環(huán)，這個炸藥水下爆炸后產(chǎn)生的氣泡反復(fù)膨幾乎是爆炸總能量的一半左右，這個能量會隨著熱傳遞和激波效應(yīng)不斷減小，因此氣泡脈動的幅值也會不斷減小。氣泡脈動階段氣泡的變化過程如圖2-3所示。17圖2-3氣泡脈動過程示意圖Figure2-3SchematicDiagramofBubblePulsation氣泡脈動的周期可以根據(jù)式(2-25)計(jì)算：1H35H356

(2-25)式中，T為氣泡脈動的周期(s)，H為水下藥包的爆炸深度(m)。在大多數(shù)的情況下，氣泡在脈動過程中無法維持球狀。當(dāng)氣泡位于結(jié)構(gòu)表面附近發(fā)生壓縮時(shí)，結(jié)構(gòu)表面會對氣泡產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸引作用。因此在壓縮過程中氣泡的變形會使遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)表面一段的氣泡周圍的水介質(zhì)發(fā)生運(yùn)動，形成一股速度極高的射其過程如圖2-4所示。18圖2-4結(jié)構(gòu)表面附近氣泡射流的形成過程Figure2-4TheFormationofBubbleJetintheVicinityofARigidBoundary2.4本章小結(jié)分別從質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒幾個基本關(guān)系式推導(dǎo)出了沖擊波各個影響因素間的等式關(guān)系，給出了沖擊波的Reyleigh線和Hugoniot曲線；利用相似性的理論再次闡述了爆轟波的特點(diǎn)及傳播過程，介紹了爆轟波的CJ理論；在此基礎(chǔ)上介紹了水下爆炸的兩個主要階段，給出了Cole提出的半理論半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，為使用有限元程序模擬水下爆炸載荷對結(jié)構(gòu)作用提供了可靠的理論基礎(chǔ)。19第三章船舶舷側(cè)結(jié)構(gòu)抗爆性能研究對于船體結(jié)構(gòu)來說，舷側(cè)是最薄弱的部分，它承受著剪力、扭矩以及局部載荷等。特別是單舷側(cè)的結(jié)構(gòu)，根據(jù)IACS的《正式安全評估規(guī)程》中的部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，外板破損在船舶事故中占有很大比例。在對散貨船的統(tǒng)計(jì)中，由于船體破損而造成的沉沒和滅失事故中，有63%是由于舷側(cè)的板破損造成的。因此為增大船舶安全航行的可靠性，有學(xué)者提出了雙殼式的舷側(cè)結(jié)構(gòu)。此種結(jié)構(gòu)即使在發(fā)生外殼破裂的情況下，內(nèi)殼仍然可以抵擋倒灌的海水，同時(shí)增加了船體梁的剪切剛度，減小了舷側(cè)結(jié)構(gòu)的失效概率，還為施工、檢測、維修等人工作業(yè)提供了人員通道。雖然在船舶重量上有所增加，但出于安全性等各方面的考量，水面艦船也借鑒了這一雙殼式的舷側(cè)結(jié)構(gòu)。本章使用有限元方法對傳統(tǒng)的在兩層舷側(cè)板間布置水平隔板的結(jié)構(gòu)以及幾種布置新型抗沖擊隔板的舷側(cè)結(jié)構(gòu)做了對比，研究隔板形式對于艦船舷側(cè)抗沖擊性能的影響。3.1傳統(tǒng)雙殼舷側(cè)結(jié)構(gòu)水下爆炸載荷下的響應(yīng)傳統(tǒng)的雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)采用在內(nèi)外舷側(cè)板間使用水平的橫隔板相連的形式，這種形式能夠簡單有效地提供內(nèi)外舷側(cè)板之間的支撐，同時(shí)結(jié)構(gòu)工藝簡單容易實(shí)現(xiàn)，耗材較少經(jīng)濟(jì)適用。在考慮雙殼結(jié)構(gòu)的舷側(cè)部分遭受爆炸載荷作用的問題時(shí)，由于船身大部分區(qū)域不會發(fā)生塑性變形，其主要的作用是作為碰撞區(qū)域可變形結(jié)構(gòu)的邊界，并不是計(jì)算中關(guān)注的要點(diǎn)，同時(shí)，還會由于其本身結(jié)構(gòu)的龐大和繁瑣帶來非常大的人工成本和計(jì)算機(jī)工作量，因此，在研究過程中，可以僅對承受沖擊載荷的舷側(cè)部位建立詳細(xì)的有限元模型，并采用合適的邊界條件來模擬龐大的艙段部分對舷側(cè)結(jié)構(gòu)的影響。這樣的模型簡化處理既能夠保證模型的計(jì)算精度又能夠提高計(jì)算效率。在雙舷側(cè)船舶的舷側(cè)結(jié)構(gòu)中，其構(gòu)成部分主要包括了舷側(cè)內(nèi)板、舷側(cè)外板、肋板以及連接舷側(cè)內(nèi)外兩板的縱向構(gòu)件橫隔板。在對爆炸響應(yīng)的研究中，主要討論沿縱向布置的橫隔板的形式對于舷側(cè)結(jié)構(gòu)吸能水平的影響。203.1.1有限元模型概述在對局部舷側(cè)結(jié)構(gòu)的研究中，本文采用某艦船的舷側(cè)結(jié)構(gòu)布置形式，假定不考9m6m1m的區(qū)塊作為研究區(qū)域進(jìn)行建模。模型的X向沿船寬方向，Y向沿船體的型深方向，Z向沿船長方向。內(nèi)外兩舷側(cè)間距為處布置位置處沿船長布置水平橫隔板。具體布置如圖3-1所示（圖中未顯示Z=9m圖3-1傳統(tǒng)雙殼舷側(cè)結(jié)構(gòu)布置示意圖Figure3-1SchematicDiagramofTraditionalSideStructureDesign材料的本構(gòu)模型為理想彈塑性模型，楊氏模量E為210GPa，屈服應(yīng)力y為355MPa，泊松比為0.3。結(jié)構(gòu)各部分的板厚布置如表3-1所示，結(jié)構(gòu)總體積為1.926m3。21表3-1傳統(tǒng)雙殼舷側(cè)結(jié)構(gòu)各部分構(gòu)件板厚布置Table3-1ThicknesslayoutofTraditionalsidestructuredesign構(gòu)件名稱板材厚度t(mm)結(jié)構(gòu)體積V（m3）舷側(cè)外板120.648肋板80.288水平橫隔板100.450舷側(cè)內(nèi)板100.540結(jié)構(gòu)載荷為500kgTNT距船體舷側(cè)外板10m爆炸的沖擊波載荷。沖擊波載荷是根據(jù)Cole在《水下爆炸》一書中給出的指數(shù)衰減的沖擊波壓力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得來的，公式中參數(shù)的選取有賴于炸藥的類型，對于TNT炸藥來講，在無限深的自由流場中沖擊波載荷的計(jì)算公式如式(3-1)-界條件。載荷及邊界條件如圖3-1所示。P53.3W131

106

(3-1)m R 1WW3131

103

(3-2)R t tP41106et

(3-3)圖3-2有限元模型載荷及邊界條件示意圖22Figure3-2LoadsandBoundaryConditionsofFEModel在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格撒種密度約為0.3m，均采用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)含節(jié)點(diǎn)2215個，單元2448個，單元類型為S4R。在進(jìn)行有限元分析時(shí)選用ABAQUS/EXPLICIT求解器進(jìn)行顯示動力分析，計(jì)算時(shí)長為0.03s。3.1.2模型響應(yīng)對于承受爆炸載荷的結(jié)構(gòu)，往往在結(jié)構(gòu)受爆的局部會在很短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生很大的變形，同時(shí)在作用點(diǎn)上會作用非常大的加速度。對于吸能水平的研究我們關(guān)注的主要有五個方面：(1)舷側(cè)外板受爆中心點(diǎn)處的加速度、速度及位移響應(yīng)；(2)舷側(cè)內(nèi)板受爆中心點(diǎn)處的加速度、速度及位移響應(yīng)；(3)結(jié)構(gòu)的整體變形情況及最大形變；(4)結(jié)構(gòu)各部分的吸能貢獻(xiàn)；1、舷側(cè)外板受爆中心點(diǎn)處的加速度、速度及位移響應(yīng)舷側(cè)外板在承受爆炸載荷時(shí)作為船體結(jié)構(gòu)最外層的結(jié)構(gòu)，首先受到?jīng)_擊波載荷的沖擊。外板對于載荷的響應(yīng)直接影響到之后載荷在舷側(cè)結(jié)構(gòu)中的傳遞，因此選取舷側(cè)外板受爆中心處的節(jié)點(diǎn)，研究其加速度、速度和位移的響應(yīng)。舷側(cè)外板受爆中心點(diǎn)處三個方向上加速度響應(yīng)的時(shí)歷曲線如圖3-3-圖3-5所示。23圖3-3舷側(cè)外板中心點(diǎn)處X方向加速度響應(yīng)時(shí)歷曲線Figure3-3X-directionAccelerationoftheCentralNodeonOuterShell圖3-4舷側(cè)外板中心點(diǎn)處Y方向加速度響應(yīng)時(shí)歷曲線Figure3-4AccelerationoftheCentralNodeonOuterShell24圖3-5舷側(cè)外板中心點(diǎn)處Z方向加速度響應(yīng)時(shí)歷曲線Figure3-5Z-directionAccelerationoftheCentralNodeonOuterShell從上面三幅圖中可以看到，在受沖擊方向的加速度峰值最大，在沖擊波載荷作用萬分之一秒內(nèi)加速度就達(dá)到了260000m/s2以上，但在不到萬分之五秒內(nèi)，加速度就變?yōu)?，并開始震蕩。在Y方向和Z方向上，加速度的響應(yīng)較X方向滯后，分別在0.01s左右才開始出現(xiàn)較明顯的加速度響應(yīng)，這主要是由于外板在經(jīng)受橫向載荷后發(fā)生變形所導(dǎo)致的另外兩向的節(jié)點(diǎn)加速度，因此較X向的響應(yīng)略微滯后。舷側(cè)外板受爆中心點(diǎn)處三個方向上速度響應(yīng)的時(shí)歷曲線如圖3-6-圖3-8所示。圖3-6舷側(cè)外板中心點(diǎn)處X方向速度響應(yīng)時(shí)歷曲線25Figure3-6X-directionoftheCentralNodeonOuterShell圖3-7舷側(cè)外板中心點(diǎn)處Y方向速度響應(yīng)時(shí)歷曲線Figure3-7oftheCentralNodeonOuterShell圖3-8舷側(cè)外板中心點(diǎn)處Z方向速度響應(yīng)時(shí)歷曲線Figure3-8Z-directionoftheCentralNodeonOuterShell26對比上面三條時(shí)歷曲線可以發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)在X方向的速度在千分之一秒內(nèi)就達(dá)到最大值96.46m/s，但同樣，速度曲線在達(dá)到峰值后也迅速衰減，之后在0上下波動，但相對峰值波動較小。其余兩個方向的速度在0.01s很小，基本可以忽略。舷側(cè)外板受爆中心點(diǎn)處三個方向上位移響應(yīng)的時(shí)歷曲線如圖3-9-圖所示。圖3-9舷側(cè)外板中心點(diǎn)處X方向位移響應(yīng)時(shí)歷曲線Figure3-9X-directionDisplacementoftheCentralNodeonOuterShell27圖3-10舷側(cè)外板中心點(diǎn)處Y方向位移響應(yīng)時(shí)歷曲線Figure3-10DisplacementoftheCentralNodeonOuterShell圖3-11舷側(cè)外板中心點(diǎn)處Z方向位移響應(yīng)時(shí)歷曲線Figure3-11Z-directionDisplacementoftheCentralNodeonOuterShell通過觀察上面三條位移時(shí)歷曲線可以發(fā)現(xiàn)，位移從開始到0.006s都是單調(diào)遞增28的，在0.006161s時(shí)達(dá)到最大值0.307m，之后發(fā)生小幅回落，維持在0.29m左右。說明舷側(cè)外板在這個變形過程中主要發(fā)生了塑性變形。其余兩個方向位移極小，可以忽略不計(jì)，不予考慮。2、舷側(cè)內(nèi)板受爆中心點(diǎn)處的加速度、速度及位移響應(yīng)舷側(cè)內(nèi)板相對于外板來說，除了提供船體梁剛度的貢獻(xiàn)之外，在雙殼結(jié)構(gòu)中主要起到了一個安全裕度的儲備作用。當(dāng)外板失效時(shí)，內(nèi)板仍能保證船艙內(nèi)不進(jìn)水，保證船體安全。因此，對于具有抗沖擊的船舶舷側(cè)的設(shè)計(jì)來說，在遭受沖擊波載荷作用時(shí)，外板會作為主要承受載荷的構(gòu)件，使得內(nèi)板盡可能小地變形，即使外板因沖擊而破損，內(nèi)板也不至于因?yàn)樽冃芜^大而造成船體穩(wěn)性的喪失。X方向的響應(yīng)，因此，在研究內(nèi)板受爆中心點(diǎn)處的各個響應(yīng)時(shí)，僅考慮X方向。舷側(cè)內(nèi)板受爆中心點(diǎn)處的加速度、速度及位移響應(yīng)如圖3-12-圖3-14所示，圖中同時(shí)給出舷側(cè)外板受爆中心點(diǎn)處的曲線以便對比。圖3-12舷側(cè)內(nèi)板/外板中心點(diǎn)處X方向加速度響應(yīng)時(shí)歷曲線Figure3-12X-directionAccelerationoftheCentralNodeonOuter/InnerShell29圖3-13舷側(cè)內(nèi)板/外板中心點(diǎn)處X方向速度響應(yīng)時(shí)歷曲線Figure3-13X-directionoftheCentralNodeonOuter/InnerShell圖3-14舷側(cè)內(nèi)板/外板中心點(diǎn)處X方向位移響應(yīng)時(shí)歷曲線Figure3-14X-directionDisplacementoftheCentralNodeonOuter/InnerShell在加速度的時(shí)歷曲線中可以看出，在沖擊波作用初期，內(nèi)外兩板上中心處節(jié)點(diǎn)的加速度響應(yīng)是有很大差別的，外板處在初始時(shí)刻便出現(xiàn)峰值，內(nèi)板中心處加速度30峰值出現(xiàn)在0.0005s后，而這兩者在數(shù)值上也差了4.3倍。速度時(shí)歷曲線上，兩板中心點(diǎn)處的速度在0.0035s為外板的2/3，達(dá)到峰值的過程也較緩。從位移的時(shí)歷曲線上看，二者的變形相差有0.1m。從上面幾個方面的對比可以看出內(nèi)板在外板的保護(hù)之下，對于沖擊載荷的響應(yīng)較外板小，但其受保護(hù)的程度除了與外板相關(guān)，還與布置在兩殼間的隔板與肋板有很大的關(guān)系。3、結(jié)構(gòu)的整體變形情況及最大形變船舶舷側(cè)在承受沖擊波載荷作用時(shí)，載荷在結(jié)構(gòu)上的作用事實(shí)上是一個動態(tài)的過程。對于雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)來說，內(nèi)外兩層殼體被支撐的肋板及隔板分隔成了許多箱型的空間。當(dāng)載荷作用與舷側(cè)外板時(shí)，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)過程如圖3-15-圖3-21所示。圖3-150.000307s時(shí)刻結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖Figure3-15StressContours(t=0.307ms)31圖3-160.000919s時(shí)刻結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖Figure3-16StressContours(t=0.919ms)0.307ms

圖3-170.003033s時(shí)刻結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖Figure3-17StressContours(t=3.033ms)32圖3-180.003775s時(shí)刻結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖Figure3-18StressContours(t=3.775ms)圖3-190.005586s時(shí)刻結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖Figure3-19StressContours(t=5.586ms)33圖3-200.020117s時(shí)刻結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖Figure3-20StressContours(t=20.117ms)圖3-210.03s時(shí)刻結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖Figure3-21StressContours(t=30ms)通過對于結(jié)構(gòu)經(jīng)受爆炸沖擊波載荷作用過程的觀察可以發(fā)現(xiàn)，載荷作用初期結(jié)構(gòu)上響應(yīng)的變化是最劇烈的，應(yīng)力的分布也變化得最快。當(dāng)沖擊載荷最初作用在結(jié)34構(gòu)上時(shí)，支撐構(gòu)件是最早出現(xiàn)屈服的地方。隨后，依次是舷側(cè)外板、舷側(cè)內(nèi)板。隨著時(shí)間的累積，載荷作用的區(qū)域逐漸沿十字向四周散去，然后又返回中心，如此循環(huán)往復(fù)。不過在這個波傳播的過程中不難發(fā)現(xiàn)應(yīng)力在Y方向，也就是短邊上變化得較長邊上快，這是由于短邊的支撐剛度較大的原因。到0.02s在整個過程中，舷側(cè)外板的最大變形為0.5115m，舷側(cè)內(nèi)板的最大變形為0.2057m。4、結(jié)構(gòu)各部分的吸能貢獻(xiàn)對于一個抗沖擊問題的研究來講，僅研究結(jié)構(gòu)在爆炸載荷下的動態(tài)響應(yīng)是不足夠的，還需要對于結(jié)構(gòu)的吸能水平進(jìn)行研究。本文對組成舷側(cè)結(jié)構(gòu)的四個部分的吸能情況作了分析，分別提取了時(shí)間歷程內(nèi)舷側(cè)外板、舷側(cè)內(nèi)板、水平橫隔板以及肋板的單元塑性變形能以及單元動能。其具體情況如表3-2所示。表3-2舷側(cè)各個部分的吸能水平及吸能貢獻(xiàn)Table3-2Energyabsorptionlevelofeachpartofsidestructure舷側(cè)組成部分結(jié)構(gòu)塑性變形能(108J)結(jié)構(gòu)動能(106J)結(jié)構(gòu)內(nèi)能(108J)吸能貢獻(xiàn)(%)舷側(cè)整體結(jié)構(gòu)11.44221.58511.659100舷側(cè)外板7.1599.5987.25562.23舷側(cè)內(nèi)板0.5955.8680.6545.60水平橫隔板2.4753.3272.50921.52肋板1.2132.7921.24110.65根據(jù)表3-2給出的結(jié)果不難看出，在沖擊波載荷作用下，外板是最主要的吸能21.52%；再次是肋板，吸能貢獻(xiàn)10.65%；最后是舷側(cè)內(nèi)板，其吸能水平僅為舷側(cè)結(jié)構(gòu)吸能水平的5.6%。這也充分說明了內(nèi)板在抗沖擊的結(jié)構(gòu)中得到了充分的保護(hù)。5、結(jié)構(gòu)的比吸能對于一個船舶結(jié)構(gòu)而言，單純的比較吸能的水平并不一定能得到工程期望的結(jié)果。因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)，吸能的水平很大程度上與板材選取的厚度成正比，然后船35舶結(jié)構(gòu)作為一種水面結(jié)構(gòu)，對于質(zhì)量始終是有要求的，并且耗材的多少直接決定了工程的造價(jià)，這在實(shí)際生產(chǎn)過程中是非?，F(xiàn)實(shí)也是決定性的一個因素。特別是對于因此在抗沖擊的結(jié)構(gòu)研究中，提出了比吸能的概念，即結(jié)構(gòu)單位體積內(nèi)能量的吸收水平，其表達(dá)式如式(3-4)所示。/V

(3-4)式中，為比吸能，單位為J/m3；為結(jié)構(gòu)的吸能水平，單位為J；V為結(jié)構(gòu)體積，單位為m3。對于本文中沿舷側(cè)縱向布置水平橫隔板的傳統(tǒng)雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)模型來說，其各部分結(jié)構(gòu)的比吸能如表3-3所示。表3-3舷側(cè)結(jié)構(gòu)各部分構(gòu)件的比吸能Table3-3Specificenergyabsorptionofeachpartofsidestructure構(gòu)件名稱結(jié)構(gòu)吸能水平（108J）結(jié)構(gòu)體積V（m3）結(jié)構(gòu)比吸能（108J/m3）舷側(cè)整體結(jié)構(gòu)11.6591.9266.053舷側(cè)外板7.2550.64811.196肋板1.2410.2884.309水平橫隔板2.5090.4505.575舷側(cè)內(nèi)板0.65380.5401.2113.2具有抗沖擊性能的艦船舷側(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對于具有抗沖擊性能的舷側(cè)結(jié)構(gòu)，以往學(xué)者也有過一些研究。從單舷側(cè)結(jié)構(gòu)的波紋板、骨架板以及各種夾層板的提出，到雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)的半圓結(jié)構(gòu)、Y型結(jié)構(gòu)、內(nèi)36外肋骨交叉布置的NOAHS設(shè)計(jì)、加裝吸能圓管的NOAHSⅡ設(shè)計(jì)、以及組合多種吸能結(jié)構(gòu)形式的新型抗沖擊結(jié)構(gòu)。本文為研究縱向布置的橫隔板的形式對于舷側(cè)結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的影響，選取了分叉型、Y型以及半圓型的結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)中的水平橫隔板，從動力學(xué)響應(yīng)以及吸能的角度來評價(jià)幾種具有抗沖擊性能的舷側(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。3.2.1水平分叉型結(jié)構(gòu)1、有限元模型水平分叉型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不改變支撐構(gòu)件與外板的連接方向，將水平隔板在中點(diǎn)處沿型深方向分為兩支。其結(jié)構(gòu)形式如圖3-22所示。圖3-22水平分叉型舷側(cè)結(jié)構(gòu)示意圖Figure3-22Horizontal-bifurcationDesignofSideStructure2、模型響應(yīng)同傳統(tǒng)的舷側(cè)結(jié)構(gòu)一樣，對于水平分叉型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研究也主要關(guān)注以下幾個方面：(1)舷側(cè)外板/內(nèi)板受爆中心點(diǎn)處的加速度、速度及位移響應(yīng)舷側(cè)外板/內(nèi)板受爆中心點(diǎn)處的加速度、速度及位移響應(yīng)如圖3-23-圖3-25所示。37圖3-23水平分叉型結(jié)構(gòu)舷側(cè)外板/內(nèi)板受爆中心點(diǎn)處的X向加速度響應(yīng)Figure3-23X-directionAccelerationoftheCentralNodeonOuter/InnerShell對于布置水平分叉型隔板的舷側(cè)結(jié)構(gòu)來講，外板中心處在0時(shí)刻的加速度值較傳統(tǒng)舷側(cè)的設(shè)計(jì)高，為438034m/s2，隨后在0.029s時(shí)出現(xiàn)了沿-X方向的極大值，為

m/s2；內(nèi)板中心處在0.036s時(shí)沿-X方向出現(xiàn)極值93113m/s2。圖3-24水平分叉型結(jié)構(gòu)舷側(cè)外板/內(nèi)板受爆中心點(diǎn)處的X向速度響應(yīng)Figure3-24X-directionvelocityofthecentralnodeonouter/innershell外板中心處速度峰值出現(xiàn)在0.0012s239.645m/s，內(nèi)板中點(diǎn)處速度峰38值出現(xiàn)在0.0033s時(shí)，幅值為47m/s。圖3-25水平分叉型結(jié)構(gòu)舷側(cè)外板/內(nèi)板受爆中心點(diǎn)處的X向位移響應(yīng)Figure3-25X-directiondisplacementofthecentralnodeonouter/innershell外板中心點(diǎn)處的位移在爆炸載荷作用后0.0042s達(dá)到極大值0.5444m，之后在0.515m0.0057s后達(dá)到極大值0.0919m，之后在0.075m附近小幅變化。(2)結(jié)構(gòu)外板/內(nèi)板的最大形變外板最大變形為0.5444m，內(nèi)板最大變形為0.1103m。(3)結(jié)構(gòu)各部分的吸能貢獻(xiàn)布置水平分叉型隔板的舷側(cè)結(jié)構(gòu)各個部分的吸能水平及貢獻(xiàn)如表3-4所示。表3-4水平分叉型舷側(cè)結(jié)構(gòu)各個部分的吸能水平及吸能貢獻(xiàn)Table3-4Energyabsorptionlevelofeachpartofsidestructure舷側(cè)組成部分結(jié)構(gòu)塑性變形能(108J)結(jié)構(gòu)動能(106J)結(jié)構(gòu)內(nèi)能(108J)吸能貢獻(xiàn)(%)舷側(cè)整體結(jié)構(gòu)9.94426.92210.213100舷側(cè)外板5.25110.7695.35952.47舷側(cè)內(nèi)板0.12151430.1721.69水平分叉型隔板3.48177823.55934.85肋板1.09132271.12310.99通過表3-4給出的數(shù)據(jù)可以看到，此型結(jié)構(gòu)外板吸能的貢獻(xiàn)超過50%，其次是39隔板、肋板，內(nèi)板吸能的貢獻(xiàn)僅為1.69%。(4)結(jié)構(gòu)的比吸能表3-5給出了各個結(jié)構(gòu)比吸能的情況，可以看到，舷側(cè)外板、隔板、肋板三部分構(gòu)件與內(nèi)板的比吸能相差一個量級，說明內(nèi)板單位體積所吸收的能量叫其他構(gòu)件小；其他三部分構(gòu)件中，仍然可以看出，外板是舷側(cè)結(jié)構(gòu)中最主要的吸能構(gòu)件。表3-5水平分叉型舷側(cè)結(jié)構(gòu)各部分構(gòu)件的比吸能表3-6Specificenergyabsorptionofeachpartofsidestructure構(gòu)件名稱結(jié)構(gòu)吸能水平（108J）結(jié)構(gòu)體積V（m3）結(jié)構(gòu)比吸能（108J/m3）舷側(cè)整體結(jié)構(gòu)10.2132.3314.383舷側(cè)外板5.3590.6488.270肋板1.1230.2883.900水平分叉型隔板3.5590.8554.163舷側(cè)內(nèi)板0.1720.5400.3193.2.2Y型結(jié)構(gòu)1、有限元模型Y型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是使用一個橫置的Y型隔板取代水平隔板，目前已有學(xué)者論證了該型結(jié)構(gòu)在船舶發(fā)生碰撞時(shí)的耐撞性，并已經(jīng)有一些實(shí)際工程的應(yīng)用。本章中Y3-26所示。40圖3-26Y型舷側(cè)結(jié)構(gòu)示意圖Figure3-26Y-bifurcationDesignofSideStructure2、模型響應(yīng)Y型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研究也主要關(guān)注以下幾個方面：(1)舷側(cè)外板/內(nèi)板受爆中心點(diǎn)處的加速度、速度及位移響應(yīng)舷側(cè)外板/內(nèi)板受爆中心點(diǎn)處的加速度、速度及位移響應(yīng)如圖3-27-圖3-29所示。41圖3-27Y型結(jié)構(gòu)舷側(cè)外板/內(nèi)板受爆中心點(diǎn)處的X向加速度響應(yīng)Figure3-27X-directionAccelerationoftheCentralNodeonOuter/InnerShell對于布置Y型隔板的舷側(cè)結(jié)構(gòu)來講，外板中心點(diǎn)處的加速度峰值同傳統(tǒng)的舷側(cè)結(jié)構(gòu)一樣，都出現(xiàn)在初始的時(shí)刻，數(shù)值上同水平分叉型結(jié)構(gòu)相同，為438034m/s2；內(nèi)板中心點(diǎn)處加速度相對于外板較小，始終呈現(xiàn)小幅震蕩的形式。圖3-28Y型結(jié)構(gòu)舷側(cè)外板/內(nèi)板受爆中心點(diǎn)處的X向速度響應(yīng)Figure3-28X-directionoftheCentralNodeonOuter/InnerShell42外板中心處速度峰值出現(xiàn)在0.0012s241.745m/s，內(nèi)板中點(diǎn)處速度峰值出現(xiàn)在0.0021s時(shí)，幅值為46m/s。圖3-29Y型結(jié)構(gòu)舷側(cè)外板/內(nèi)板受爆中心點(diǎn)處的X向位移響應(yīng)Figure3-29X-directionDisplacementoftheCentralNodeonOuter/InnerShell外板中心點(diǎn)處的位移在爆炸載荷作用后0.0039s達(dá)到極大值0.5973m，之后在0.545m左右小幅變化；內(nèi)板中心點(diǎn)處位移于載荷作用0.0044s后達(dá)到極大值0.118363m，之后在0.1m附近小幅波動。(2)結(jié)構(gòu)外板/內(nèi)板的最大形變舷側(cè)外板的最大變形為0.5973m，內(nèi)板的最大變形為0.1397m。(3)結(jié)構(gòu)各部分的吸能貢獻(xiàn)表3-7中給出了布置Y型隔板的舷側(cè)結(jié)構(gòu)各個部分構(gòu)件的吸能水平和貢獻(xiàn)