复合材料具备质量轻与吸波能力强等优势，在舰船结构中应用广泛。舰船复合材料上层建筑结构板材接口缝隙较多，可有效提升其反雷达探测效果，但会降低其抗爆性能^[1-3]。在爆炸能量强度超过舰船结构承载极限情况下，舰船受爆炸冲击波影响，会出现变形，降低其作战能力，为提升其抗爆性能^[4]，需分析舰船复合材料建筑结构，受爆炸载荷影响后的动力响应情况，为改善上层建筑结构提供科学依据，提升海上军事力量。对于舰船复合材料动力响应情况的相关研究有较多，杨娜娜等^[5]分析冲击作用下，舰船复合材料动力响应情况，试验证明冲击速度越大，复合材料损伤面积先增加后缩减，损伤方向与纤维铺设方向相关，提升加筋板质量，可提升复合材料结构的抗破片冲击效果。毛柳伟等^[6]分析爆炸载荷下复合材料动力响应情况，通过有限元软件，构造复合材料数值仿真模型，分析优化后复合材料的动力响应情况，试验证明优化后的复合材料，具备较优的冲击能量吸收效果。但这2种方法均仅研究复合材料受爆炸载荷的影响，并未分析复合材料上层建筑结构受爆炸载荷的影响情况，舰船抗爆性能提升效果较差。为此分析爆炸载荷下舰船复合材料上层建筑结构动力响应，为加强舰船的防御反击与抗爆性能等提供参考。

通过参考某舰船的上层建筑外形，构造舰船复合材料上层建筑仿真模型，通过简化建模过程，提升爆炸载荷下舰船复合材料上层建筑结构动力响应分析速度，避免出现畸形网格单元。以舰船复合材料上层建筑结构仿真模型下部矩形位于的平面为底面，仿真模型包含2层，下层长、宽、高分别是25 m，10 m，3.5 m，上层长、宽、高分别是15 m，10 m，3.5 m。舰船复合材料上层建筑结构外形仿真模型如图1所示。

图 1 舰船复合材料上层建筑结构外形仿真模型 Fig. 1 Simulation model of warship composite superstructure structure

在舰船复合材料上层建筑结构的板材内表面中安装加强筋，该筋的横竖方向间距在1.0～1.3 m，该筋内泡沫芯材截面边长是45 mm，形状为正方形，附近包裹3 mm厚的蒙皮纤维层。转折位置上单独安装加强筋，提升舰船复合材料上层建筑结构接口位置的结构强，在Abaqus有限元软件内令板材和该筋的接触方式是绑定，用于分析实际安装过程中2个材料间的耦合方式。通过shell缩减积分单元定义蒙皮，通过solid积分单元，定义舰船复合材料上层建筑结构内部的PVC泡沫材料，避免出现畸形单元。

将舰船复合材料上层建筑结构材料定义成刚性材料，确保在爆炸载荷下，上层建筑结构内围壁结构动力响应分析计算结果不受影响，设置8个面的边界条件均为全约束。令包围舰船复合材料上层建筑结构空气域体积是15 m×10 m×20 m，对于空气域的8个面，前端选择对称面，其余面均选择无反射边界条件。通过实体单元模拟空气域内的单元，将舰船复合材料上层建筑结构模型划分成网格，网格尺寸是110 mm。TNT球形炸药当量是250 kg，半径是320 mm。炸药中心距舰船复合材料上层建筑前端面的距离分别是100 m，150 m，200 m，以中心起爆为炸药起爆方式，舰船复合材料上层建筑结构模型划分结果如图2所示。

图 2 上层建筑结构模型网格划分结果 Fig. 2 Meshing results of superstructure model

爆炸为能量瞬间释放后，生成的空气冲击波向附近传播的过程。爆炸载荷下，作用在舰船复合材料上层建筑结构上的形式是冲击波，主要包含正、负压峰值与正压持时等。爆炸载荷下，舰船复合材料上层建筑结构的动力响应属于较为繁琐的非线性问题，同时爆炸载荷具备瞬时性，传播空气冲击波时，会出现发射与绕射等情况，爆炸冲击波反射压力峰值D和爆炸距离R间存在线性相关，可表示为：

式中，W为炸药重量。

爆炸载荷下，分析不同爆炸距离时，舰船复合材料上层建筑结构动力响应情况，动力响应云图如图3所示，以舰船复合材料上层建筑中心点为基准点，该点的纵向直线为基准线，炸药相对基准线角度为0°。

图 3 不同爆炸距时上层建筑结构动力响应云图 Fig. 3 Dynamic response cloud diagram of superstructure at different explosion distances

可知：爆炸距离越远，舰船复合材料上层建筑结构承受的应力越小，原因是空气冲击波传播到上层建筑结构上时，已出现较大程度的衰减，因此其动力响应相对稳定，承受的应力较小；最大应力出现在前端，原因是前端属于爆炸冲击波的最先作用面，其次是上端2与上端3，然后是上端1与侧端1，这两端承受的应力相差较小，这三端距离爆炸冲击波的距离逐渐变远，冲击波到达这两端时，以出现较大程度的衰减与反射，因此其承受的压力逐渐变小。试验证明：爆炸中心，与舰船复合材料上层建筑结构距离越远，其承受的应力越小，出现变形的可能性越小；承受应力最大的端面是爆炸冲击波的作用方向，与爆炸冲击波作用方向距离越远的端面，承受的应力越小。

以爆炸距100 m为例，分析不同炸药相对基准线角度时，舰船复合材料上层建筑结构动力响应情况，以舰船复合材料上层建筑结构各端面中心点处的应力为动力响应分析的基准点，后续试验均以该点为基准点，分析结果如图4所示。可知：不同炸药相对基准线角度时，舰船复合材料上层建筑结构各端面中心点处的应力峰值均出现在10 ms左右，随后各端面中心点处的应力均呈线性趋势，下降至0 kPa为止；随着角度的增加，前端的应力峰值呈下降趋势，原因是炸药起爆中心和基准线夹角变大，起爆中心和前端面中心处的距离会随之提升，降低其应力值；上端1、上端2、侧端2中心处的应力峰值，也随着角度的增长，呈下降趋势，原因与前端应力下降原因一致；上端3与侧端1中心处的应力，随角度的增长而增长，原因是夹角越大，起爆中心与这2个端面中心处的距离会近，受爆炸冲击波的影响逐渐变大，提升应力峰值；后端中心处的应力峰值也随角度的增长而增长，原因是角度提升，后端受到爆炸冲击波1次绕射影响，提升其引力峰值。试验证明：提升炸药相对基准线角度，舰船复合材料上层建筑结构前端、上端1、上端2、侧端2应力峰值降低，上端3、侧端1、后端应力峰值提升。

图 4 不同炸药相对基准线角度时的应力变化情况 Fig. 4 Stress changes at different explosive angles relative to the reference line

可知，受爆炸荷载影响最大的端面是前端，受爆炸载荷影响最小的端面是后端，为此以这2个端面为例，分析炸药相对基准线角度是0°、爆炸距是100 m时，舰船复合材料上层建筑结构速度与加速度变化情况，即动力响应曲线，动力响应曲线如图5和图6所示。

图 5 上层建筑结构前端速度与加速度曲线 Fig. 5 Velocity and acceleration curves of the front end of the superstructure

图 6 上层建筑结构后端速度与加速度曲线 Fig. 6 Velocity and acceleration curves of the rear end of the superstructure

由图6可知：舰船复合材料上层建筑结构前端受爆炸载荷影响最大，与炸药起爆中心距离最近，其动力响应程度最大，速度峰值接近20 m/s，加速度峰值接近4900 m/s²；舰船复合材料上层建筑结构后端不会受到爆炸冲击波的直接作用，主要是通过1次绕射和内部结构传播爆炸冲击波，承受的应力值较小，动力响应程度较小，速度峰值在4.7 m/s左右，加速度峰值在1900 m/s²左右；爆炸载荷下，舰船复合材料上层建筑结构各端面的速度与加速度曲线，随着时间的延长，整体上均呈衰减趋势，但并未完全衰减，即动力响应呈衰减趋势。试验证明：炸药起爆中心与舰船复合材料上层建筑结构距离越近的端面，其速度与加速度峰值越大，随着时间的延长，整体上层建筑结构的动力响应呈衰减趋势，根据动力响应分析结果，为加强舰船在爆炸载荷下的生存性能提供科学依据，提升其抗爆性能。

爆炸载荷会严重破坏舰船的性能，导致其出现弹性响应与局部塑性变形，还会导致舰船出现破裂情况，发生舰船倾覆事件。为加强舰船的抗爆性能，对其复合材料上层建筑结构的要求愈发严格，为此分析爆炸载荷下舰船复合材料上层建筑结构动力响应。试验证明，炸药起爆距离越近，上层建筑结构的应力值越大，动力响应越激烈，出现塑性变形的可能性越大，为改善舰船复合材料上层建筑结构抗爆性能提供参考。