《Marine Structures》：Experimental and numerical research on multi-mode energy concentrating damage to ship cabin
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•水下爆炸实验测试了炸药对双壳结构的破坏效果。•ALE方法能够准确模拟瞬态实验中无法观测到的动态现象。•对不同聚能装药对近水面加固船体结构损伤的有限元分析。引言随着制导精度的不断提高，鱼雷等水下武器能够通过近场水下爆炸对水面舰艇[[1]、[2]、[3]、[4]、[5]]和潜艇
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水下爆炸实验测试了炸药对双壳结构的破坏效果。
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ALE方法能够准确模拟瞬态实验中无法观测到的动态现象。
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对不同聚能装药对近水面加固船体结构损伤的有限元分析。
引言
随着制导精度的不断提高，鱼雷等水下武器能够通过近场水下爆炸对水面舰艇[[1]、[2]、[3]、[4]、[5]]和潜艇[[6]、[7]、[8]]实施远程打击。近年来，随着船舶防护能力的增强，常规炸药已无法对船舶等目标造成致命性攻击。因此，推动了聚能装药技术的快速发展。聚能装药是一种在前端安装金属衬套的爆炸结构，它将爆轰能量沿衬套轴向集中，使衬套发生塑性变形并坍塌，形成高速金属射流，能够对装甲、混凝土等硬目标实现深度穿透。近场聚能装药的水下爆炸不仅能够产生高强度冲击波[[9]、[10]、[11]、[12]、[13]]和长持续时间的气泡载荷[[14]、[15]、[16]、[17]、[18]]，还能产生高温高速的射流穿透载荷。在工程应用中，衬套的方向性性能通过将其轴线与目标板垂直对准来实现，从而确保聚能射流的有效穿透。因此，聚能装药在爆炸冲击性能方面相较于常规炸药具有显著优势。因此，聚能装药的研究受到了学者们的广泛关注。为了增强水下武器的破坏性能，Chen等[19]研究了衬套参数（壁厚、材料）、炸药长径比、离地距离等因素对喷射弹聚能装药（JPC）水下入水特性的影响。Gu等[20]利用新的水下射流形成理论模型，研究了水下锥形聚能装药射流的形成特性和穿透性能。然而，传统聚能装药虽然能产生高速射流，但其有效质量过小，导致目标结构上的穿透孔洞相对较小。因此，传统聚能装药无法满足作战场景中需要大规模破缺效果的工程要求。为解决这一挑战，研究人员对聚能装药的结构进行了改进，以实现大规模破缺能力。具体而言，通过改变传统的旋转射流形成方式为挤压成型，开发了线性聚能装药[[21]、[22]、[23]、[24]]。这一创新将传统的损伤作用模式从点-面接触转变为线-面接触，从而显著扩大了目标结构的损伤范围。Zhang等[25]对线性聚能装药与常规炸药在同一海底管道上的损伤特性进行了对比分析。Zuo等[26]进行了研究，探索了不同起爆位置下线性聚能装药的全场应变和动态断裂特性。Wu等[27]基于SPH方法进行了数值模拟，并与实验室实验进行了对比，利用灰色关联理论分析和研究了椭圆双极性线性聚能装药的参数与聚能射流性能之间的关联性。在线性聚能装药的基础上，研究人员寻求进一步增强聚能装药的穿透能力。为此，他们对线性聚能装药的结构参数进行了修改，开发出了具有高度杀伤力的特殊异形线性聚能装药构型[[28]、[29]、[30]、[31]]。Guo等[32]通过实验和建模分析相结合的方法，研究了反应性线性聚能射流（RLSCJ）穿透厚钢板的能力。Cheng等[33]设计了一种新型线性聚能装药（LSC），称为双锥角线性聚能装药（BLSC），以研究穿透性能的改善。Wu等[34]通过理论分析、实验和数值模拟研究了椭圆双极性线性聚能装药的爆炸开裂机理。
综上所述，学者们已对各种构型的聚能装药结构进行了优化和分析。然而，目前对于聚能射流穿透水下结构的损伤机理研究仍存在不足。很少有研究探讨不同类型装药引起的损伤机理，或对结构损伤进行比较分析。此外，关于线性聚能装药引起的复杂舱室结构多模式损伤的研究仍然有限。本文使用两种类型的聚能装药——线性聚能装药和圆柱形聚能装药——进行了水下爆炸实验。通过分析聚能装药爆轰后产生的射流、冲击波和气泡脉冲对水下结构造成的损伤，对目标板的损伤模式进行了对比研究。此外，本文使用数值模拟方法系统分析了三种不同类型装药对复杂舱室结构三个典型区域的损伤效果。通过对关键参数的定量评估，对不同装药类型对舱室结构的损伤效果进行了对比研究。同时，通过分析穿透孔面积和隔板挠度，确定了抵抗爆炸载荷的最优装药类型和最优隔板位置。此外，研究结果可为水下武器设计和舰船舱室防护提供参考。
章节摘要
实验研究
首先，进行了近场水下爆炸实验，以评估两种当量TNT等效的装药类型——线性聚能装药和圆柱形聚能装药——对加固板的损伤效果。其次，基于实验数据系统评估了每种装药类型的损伤特性。
加固板损伤的数值模拟
在实验过程中，很难捕捉到射流、冲击波和气泡载荷的特性，以及结构上的多模式损伤过程。因此，本节将基于实验数据建立数值模型，进一步深入探讨并分析不同类型聚能装药对加固板造成的损伤特性。采用任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法模拟水下爆炸穿透
三种装药类型下舰舱的损伤特性
此前，通过实验分析了两种聚能装药对加固板的损伤特性。为提升线性聚能装药的工程适用性，本研究建立了更为复杂的舰舱数值模型，通过实验和工程尺度模拟相互补充和验证。在本节中，基于实验结果进行数值模拟，对损伤进行比较和分析
结论
本研究对两种聚能装药的水下爆炸进行了实验测试，并将数值模拟结果与实验结果进行了验证。最后，使用三种装药类型对位于不同位置的水面舰舱进行了数值模拟，得出以下结论。
(1) 两种聚能装药爆轰后，加固板均被弹丸穿透。弹丸的
CRediT作者贡献声明
张志帆：监督、资源、资金获取、概念设计。杨叔信：撰写——初稿、软件、调查、形式化分析。张绅合：可视化、方法论、数据整理。王隆坎：撰写——审阅与编辑、验证。张文奇：项目管理。张贵永：资源、资金获取、概念设计。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（52271307、52061135107、52192692）、辽宁省优秀青年基金计划（2023JH3/10200012）、辽宁省振兴人才计划（XLYC1908027）和中央高校基础研究基金（DUT20RC (3)025、DUT20TD108、DUT20LAB308）的支持。
张志帆|杨叔信|张绅合|王隆坎|张文奇|张贵永
