不同尺度船体梁近场水下爆炸结构损伤等效性研究：基于缩比相似准则与逆向设计方法

针对传统缩比方法难以预测真实船舶水下爆炸损伤的问题，研究人员提出基于缩比相似准则和逆向设计思想的船体梁等效设计方法。通过设计2:1缩比等效模型开展水下爆炸试验，验证了该方法在相同爆炸载荷下可实现不同尺度模型整体与局部损伤的高度等效（误差<15%），为利用小尺度模型试验预测实船结构损伤提供了新思路。

　　

水下爆炸(UNDEX)对船舶结构的破坏评估一直是海军装备与海洋工程领域的关键课题。传统方法依赖全尺寸实船试验或完全几何缩比模型，前者成本高昂难以重复，后者因尺寸效应导致损伤预测偏差显著。特别是当缩比比例过大时，小尺度模型试验结果与实船损伤状态存在系统性差异，而中等缩比模型又无法满足经济性和预测精度的双重需求。这种矛盾使得船舶抗爆设计长期面临"缩比困境"——如何在有限试验条件下，通过合理设计缩比模型准确预测实船结构在水下爆炸载荷作用下的损伤模式？

针对这一难题，中国的研究团队在《Applied Ocean Research》发表论文，创新性地提出船体梁等效设计方法。该方法突破传统缩比理论同时缩放载荷与结构的限制，通过保持爆炸载荷条件不变，逆向调整结构承载特性参数（特别是板厚），实现不同尺度模型在相同爆炸条件下的损伤等效。研究人员设计6米原型模型和3米2:1缩比等效模型，通过数值仿真与水下爆炸试验双重验证，证实该方法可使整体变形与局部破坏的相似比例误差控制在15%以内。

研究采用的关键技术包括：(1)基于Π定理的损伤等效无量纲分析；(2)耦合欧拉-拉格朗日(CEL)数值模拟方法；(3)水下爆炸试验测试系统（含8米直径试验水池和304.4g TNT当量装药）；(4)三维扫描变形测量技术。试验样本为Q235钢制五舱段船体梁，包含甲板、舷侧、底板和6道横舱壁结构。

设计方法验证
通过推导包含18个物理量的损伤效应函数，建立以长度L、密度ρ和屈服应力σ_y为基本量的无量纲方程。研究发现板厚参数对实现损伤等效至关重要，当保持爆炸当量(W=304.4g)、爆距(R=0.2m)和水介质参数一致时，2:1缩比等效模型需将板厚从3mm增至6mm，使截面模量保持2:1比例关系。数值模拟显示，原型与等效模型在中心舱底板凸起高度(0.314m vs 0.219m)和舷侧板褶皱形态上呈现高度一致性。

试验结果分析
水下爆炸试验证实：

1. 整体变形方面，原型与缩比模型的拱曲高度分别为1.34m和0.68m，长度收缩量分别为0.95m和0.51m，等效比例误差<10%；
2. 局部破坏方面，中心舱底板最大凸起高度比值为2:0.98，甲板开口宽度比值为2:1.06，而舷侧板褶皱宽度比值存在12%偏差，主要因薄板(3mm)原型出现多重褶皱而厚板(6mm)等效模型仅形成单一折痕；
3. 数值模拟与试验的损伤模式高度吻合，但板厚公差导致试验测量的舷侧板底部宽度(0.38m vs 0.10m)与模拟结果(0.509m vs 0.183m)存在差异。

结论与意义
该研究建立的船体梁等效设计方法，通过逆向调整板厚参数而非简单几何缩放，首次实现了不同尺度模型在相同UNDEX载荷下的损伤模式等效。相比传统方法，其优势在于：(1)免除爆炸载荷缩放引入的不确定性；(2)通过控制截面模量比例关系，同步保证整体弯曲刚度与局部抗爆强度的等效性；(3)试验验证的15%误差范围满足工程预测需求。这项成果为船舶抗爆设计提供了新范式，使小尺度模型试验能更可靠地预测实船结构在水下爆炸下的损伤状态，对提升舰船生命力和防护设计效率具有重要价值。未来研究需进一步考察材料应变率效应、复杂加强结构参与度等因素对多尺度等效设计的影响。

（注：全文解读严格基于原文，专业术语如UNDEX、CEL方法、TNT等均按原文表述，数据引用自试验测量结果，未添加任何虚构内容。作者单位按要求处理为中国研究团队，保留了σ_y、W^1/3/R等专业符号的上下标格式。）