爆炸载荷作用下舰船板架结构的变形与断裂研究综述

爆炸载荷作用下舰船板架结构的变形与断裂研究综述

1执行任务的影响因素长期以来，在爆炸和载荷作用下，船板结构的变形和断裂研究由来已久，国内外科学家在这方面做了大量工作。爆炸是物质非常迅速的化学或物理变化过程,在变化过程里迅速地释放出巨大的热量并生成大量的气体,此时的气体由于瞬间尚存在于有限的空间内,故有极大的压强,对爆炸点周围的物体产生了强烈的压力,当高压气体迅速膨胀时形成爆炸。对于舰船本身而言,其在执行任务的过程中主要面临水中爆炸和空中爆炸的威胁。两者相比,由于海水的密度约为空气密度的835倍,压缩性通常只有空气的(1/30000~1/20000),因此,炸药在水中爆炸所产生的破坏作用要比在空气中爆炸强烈得多舰船板架结构承受的爆炸载荷,是在很短时间内,在巨大冲击载荷作用下的一种复杂的非线性动态响应过程,属大变形、强非线性(包括材料非线性、几何非线性、运动非线性)问题,按其作用形式主要分为接触爆炸和非接触爆炸两种。通常接触爆炸主要造成舰船板架结构的局部损伤,而非接触爆炸的破坏作用则是全船性的。另外,一般舰船板架结构是由加筋板焊接而成的,板的破裂和焊缝失效在结构失效中也起着重要作用,它们直接关系到结构的失效机理和能量吸收。爆炸的破坏作用还包含很多不确定因素,如爆炸的炸药类型、药量大小、炸药到结构的距离、周围环境、自身结构的特点等。一般而言,武器的装药量越大,对舰船的破坏程度就越大,但是由于现代武器弹药要具备远程运送和精确打击的作战能力,一般都会对弹药的装药量提出限制。研究新型高能炸药、定向爆破和先进战斗部技术就成为提高现代武器毁伤能力的途径。与此同时,为了提高现代舰船抵抗水下、空中武器攻击的能力,许多新型复合材料2关于研究现状2.1数学模型的建立由于爆炸载荷作用下结构响应问题研究的复杂性,对其进行详细的理论研究,并企图通过建立一个精确的数学模型而使爆炸作用下结构的动响应得到完全解析,是十分困难的。因此,早期的研究多限于实验研究工作,以期望能从爆炸的现象和测得的数据中,分析总结出一些经验和规律,用于指导工程实践。2.1.1实验设备、技术和方法的限制国外实验研究起步较早,但是由于受当时实验设备、技术和方法的限制,早期的实验研究工作也仅限于板、梁这些简单的基本构件。首先,KennardA.H.2.1.2框架成功模式与变形研究以梁结构为研究对象,MenkesS.B.2.1.3水下爆炸的测试方法国内实验研究起步相对较晚,而且过于分散。直至20世纪80年代,中国船舶科学研究中心等单位开展了水下爆炸的实验研究工作,对矩形加筋板、钢质圆柱壳等结构,在水下爆炸的动态响应进行了大量的测试工作。朱锡、朱凌2.2理论研究2.2.1期理论研究现状多年来,人们积极开展板壳结构爆炸的理论研究,其中最具代表性的是库尔于20世纪50年代出版的《水下爆炸》一书,这本书对水下爆炸及相关问题进行了系统的研究,为之后理论研究工作的开展奠定了基础。早期理论研究主要集中在光板、交叉梁等结构上,由于加筋板结构变形比较复杂,国内外对爆炸冲击作用下加筋板结构的变形,至今还没有一套很完整的理论估算方法。由于爆炸载荷作用下板架结构的响应十分复杂,基于能量法研究板架结构冲击作用下的变形与破损一直是问题研究的主流方法。吴有生第一种模式,加强筋较弱,面板和筋作为一个整体发生变形,加强筋基本不影响面板的变形模式;第二种模式,加强筋足够强,一直处于刚性状态,加筋板的板格始终以加强筋作为固定边界发生运动和变形;第三种模式,加强筋强度介于以上两者之间,面板变形通过筋与板之间作用力使筋也发生一定程度的变形,加强筋部分限制了面板的变形。黄骏德2.2.2响应分析理论研究的主要成果进入21世纪,爆炸作用下板架结构的动响应分析的理论研究工作开展得更为广泛,国内研究也取得了突飞猛进的发展。吴成、金俨RajendranR.吴成、倪艳光2.3数值仿真计算实验研究是再现物理过程最可靠的手段。但是爆炸实验对于实验场地、实验设备要求严格,操作复杂,实验周期长等,难于大规模进行,所以不便于广泛应用。同时,对水下爆炸作用下加筋板架这样复杂的结构响应的理论分析也比较困难。在这样的背景下,数值仿真计算便显得十分必要。尤其是在20世纪60年代以后,随着计算机硬件技术的发展以及计算方法的完善,水下爆炸的数值仿真研究得到了很大的发展,同时由于数值仿真方法具有研究周期短和投入经费少等优点,目前数值仿真已经成为水下爆炸研究热点。许多高瞬态非线性有限元分析程序,如:LS-DYNA、ABAQUS、ADINA、DYTRAN等得到了广泛使用。数值仿真的关键在于要保证仿真结果的可靠性,这主要取决于输入参数、建模方法、计算手段等多方面的因素。RudrapatnaN.S.,VaziriR.3载荷作用下的大型复杂板架动态响应机理随着人类社会的进步及科学技术的不断发展,爆炸载荷作用下板壳结构变形与失效研究工作越来越引起人们的重视,目前需要研究的工作主要包括以下四个方面。1)实验研究。在进行实验技术和方法研究的同时,有效地开展大规模、系统的实验研究也变得十分必要。尤其是国内,在实验研究工作开展得过于分散,不利于研究工作的进一步开展。2)理论研究。爆炸及爆炸载荷作用下的大型复杂板架动态响应机理研究。如前所述,爆炸是一种非常复杂的过程,爆炸载荷下的动态响应属大变形、高度非线性、流固耦合的瞬时动态响应,目前人们对其机理仍没有完全研究清楚,需我们进一步详细研究。3)数值仿真。作为目前应用最多的一种研究手段,数值仿真具有无可比拟的优越性。然而计算结果的可靠性一直是研究人员所关注的问题。目前的计算软件也只能针对具体的问题,有着良好的逼近度,也就是说,还不能将各种综合影响因素真实地模拟出来。这些问题最终的解决还需要对爆炸及结构响应的机理研究和软件计算功能的改善。4)工程应用研究。复合材料结构在爆炸载荷作用下的应用研究。由于复合材料具有普通材料所不具有的优越性能,目前已广泛应用于飞机、舰船、水下管道等结构中。同时由于复合材料结构的特殊性,对其进行的理论与实验研究也变得十分困难,至今这方面的报道还很少,有待于研究工作的进一步开展。5)舰船抗爆结构设计研究。随着现代精确制导技术的发展和导弹爆炸威力的提升,舰船生存环境面临着前所未有的挑战。因此,研究开发出在满足常规强度、使用要求下安全可靠、方便实用的新型抗爆结构型式,对于提高舰船生命力具有非常重要的意义。4加筋板架结构爆炸载荷作用下舰船板架的变形与撕裂,将会给人员和生命财产带来巨大的威胁。因此,积极开展爆炸及其作用下结构的响应分析研究具有非常重要的意义。而加筋板架结构是舰船中最为常见的形式(如双层底、舷侧、甲板结构),爆炸作用