﻿ 空中爆炸作用下舰船上层建筑结构响应研究
 舰船科学技术  2022, Vol. 44 Issue (8): 1-5    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2022.08.001 PDF

1. 江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003;
2. 江苏科技大学 土木工程与建筑学院，江苏 镇江 212003

Research on the response of superstructure of ship under air explosion
YIN Qun1, LI Jian-chao1, CAO Hui-qing1, CAI Ai-ming1, SHEN Zhong-xiang2
1. School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China;
2. School of Civil Engineering and Architecture, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003 , China
Abstract: As an important platform for naval warfare, large battleships are often threatened by missiles. In this paper, the structural response of the superstructure for a ship is numerically simulated using Dytran. The shock wave propagation characteristics, structural stress distribution and structural damage and deformation are analyzed respectively, and the structural response law and mechanical properties change are obtained, which provides reference for the design and construction of ships.
Key words: ship     superstructure     aerial explosion     dynamic response
0 引　言

1 空中爆炸理论

 ${I_ + } = \int_0^{{\tau _ + }} {P\left( t \right)} {\rm{d}}t 。$ (1)

Hopkinson[6]提出爆炸相似定律：对于2个几何相似的填充炸药，如果两者的炸药成分相同，尺寸不同，则在同一大气环境中发生爆炸时，在相同比例距离处的冲击波相似。Henrych[7]通过大量试验数据，总结空中爆炸现象及爆炸载荷传播规律，得到冲击波峰值超压、正压持续时间、比冲量等参数的函数表达式。 $\Delta {p_m}$ 的计算式为：

 $\Delta p(t) = \Delta {p_m}\left(1 - \frac{t}{\tau }\right){{\rm{e}}^{ - \alpha t/\tau }} 。$ (2)

 ${\tau _ + } = B \cdot \sqrt R \sqrt[6]{W} 。$ (3)

 $\begin{split}& \dfrac{{I}_+}{\sqrt[3]{W}}=663-\dfrac{1115}{Z}+ \dfrac{629}{{Z}^{2}} - \dfrac{100.4}{{Z}^{3}}\quad(0.4 \leqslant Z \leqslant 0.75)，\\ &\dfrac{{I}_+}{\sqrt[3]{W}}=-32.2+\dfrac{211}{Z}-\dfrac{216}{{Z}^{2}}+\dfrac{80.1}{{Z}^{3}}\quad(0.75 < Z\leqslant 3)。\end{split}$ (4)

2 舰船上层建筑结构有限元模型概述 2.1 模型概述

 图 1 舰船上层建筑有限元模型 Fig. 1 Finite element model of warship superstructure
2.2 材料的状态方程

 $\frac{{{\sigma _d}}}{{{\sigma _y}}} = 1 + {\left( {\frac{{\dot \varepsilon }}{D}} \right)^{\frac{1}{p}}} 。$ (5)

 $P = \left( {\gamma - 1} \right)\rho e 。$ (6)

2.3 流-固耦合

2.4 计算工况

 图 2 特征点位置示意图 Fig. 2 Schematic diagram of feature point location

3 计算结果与分析 3.1 空中爆炸冲击波传播过程

 图 3 空气域压力分布云图 Fig. 3 Cloud map of air pressure distribution

 图 4 特征点压力时间历程曲线 Fig. 4 Pressure history curve of characteristic points

3.2 结构应力分布特性研究

 图 5 结构应力分布云图(S40) Fig. 5 Stress distribution of superstructure(S40)

 图 6 特征点应力时间历程曲线(S40) Fig. 6 Pressure-time history curve of characteristic points (S40)
3.3 结构毁伤变形特性研究

 图 7 上层建筑结构毁伤变形云图(S200) Fig. 7 Cloud image of damage and deformation of superstructure (S200)

 图 8 特征点位移时间历程曲线 Fig. 8 Displacement history curve of characteristic points

4 结　语

1）空中爆炸冲击波在舰船上层建筑结构的空气流场中传播时，峰值超压 $\Delta {p_m}$ 和正压持续时间 ${\tau _ + }$ 随作用距离呈现相反的变化规律。

2）冲击波在舰船上层建筑结构外部流场中传播时，结构与冲击波入射夹角越小，发生能量汇聚概率越低；上层建筑围壁结构处的压力峰值和正压时长低于距爆源相同距离的甲板结构，说明结构与冲击波入射夹角越小。

3）空中爆炸冲击波对舰船上层建筑的结构毁伤模式以压溃变形为主，其驾驶甲板结构吸能量占比70%以上，而下桥楼结构次之，上桥楼结构占比低于10%。

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