水下近场非接触爆炸作用下弧形支撑加筋板动态响应的试验与快速计算方法研究

《Journal of Marine Science and Engineering》：Experimental and Rapid Calculation Method on the Dynamic Response of Stiffened Plates with Arc-Shaped Supports Under Underwater Near-Field Non-Contact Explosion

　　

专业术语翻译摘要 为评估弧形支撑加筋板（stiffened plates with arc-shaped supports, SPASs）在水下近场非接触爆炸（underwater near-field non-contact explosion, UNFNCE）作用下的防护能力，研究人员设计并开展了一系列试验，研究SPAS在不同爆炸载荷和结构参数下的动态响应。研究人员建立了基于等效速度场（equivalent velocity field）方法的快速计算方法，用于分析SPAS在UNFNCE作用下的能量吸收特性。结合快速模拟结果的能量分析，研究人员建立了一种用于预测SPAS动态响应的半解析方法。研究结果表明，所提出方法的预测结果与试验测量值具有良好的一致性；快速计算方法和半解析方法的误差均在工程允许公差范围内。这两种方法可作为SPAS在UNFNCE作用下快速动态响应评估的高效可靠工具，为舰船防护结构的抗爆设计提供实用支持。

论文解读

一、研究背景与意义

鱼雷、反舰导弹等水下武器的爆炸效应对海军舰船的结构完整性和生存能力构成最严重的威胁之一。在各种攻击模式中，水下近场爆炸在船体附近产生极高的峰值压力、强烈的冲击波冲量和耦合的气泡脉动载荷，引起强烈的非线性流固耦合作用、大范围塑性变形和舷侧结构的局部撕裂破坏。为增强舰船舷侧结构的抗爆能力，大型舰船采用了带弧形支撑的加筋板（SPAS）结构作为提高抗爆性能的有效措施。与传统的平面加筋板相比，弧形支撑构型由于曲形支撑几何形状提供了更好的局部爆炸载荷约束能力，具有更优的能量耗散和载荷再分配能力。

目前研究中存在的主要问题包括：试验方法虽然能提供可靠数据，但成本高昂且参数覆盖有限；ALE和SPH等数值方法虽能捕捉复杂的流固耦合作用，但计算效率低下；基于刚塑性假设的解析方法虽能提供快速求解，但对于带弧形支撑的复杂加筋结构，完整的解析解仍然缺乏。因此，本研究旨在通过机理试验研究SPAS在UNFNCE下的变形模式，建立基于等效初始速度场的快速模拟方法用于能量吸收分析，结合快速模拟结果与能量分析建立半解析方法，并通过复现实际舰船边界条件的试验验证所提出的方法。

二、研究内容与主要结论

研究人员设计了一系列SPAS在UNFNCE下的试验，采用可重复使用的试验框架，每次爆炸后更换试件即可重复试验。试验在中国船舶科学研究中心进行，使用100g球形TNT装药（球形装药半径为25mm），爆距P范围为160mm至200mm，属于近场非接触爆炸范围。试验模型总尺寸为长1.5m、宽0.5m，内外板间距d=60mm，弧形支撑跨度n=167mm，T型加强筋跨度m=125mm，弧形支撑曲率半径为100mm，所有结构部件均采用Q355B钢制造。

试验结果表明，在UNFNCE作用下，SPAS外板呈现内凹锅底状变形，最大挠度位于正对爆心处，边界处挠度为零。两个方向的变形轮廓均服从余弦分布。T型加强筋的变形模式与外板一致，而弧形支撑在承受外板和T型加强筋传递的载荷时呈现压缩和弯曲变形。所有模型表现出相似的失效变形模式但最大挠度不同。

研究人员建立了基于等效速度场的快速模拟方法，将水下爆炸载荷转化为等效初始速度场施加于结构。以Case 3为例，在ABAQUS(2023)中建立了SPAS有限元模型，采用S4R壳单元，共85932个节点，材料采用Johnson-Cook本构和失效模型以考虑应变率效应。网格收敛性研究表明5mm网格尺寸足以保证结果收敛。使用8核并行计算，每个工况求解约15分钟，显著快于需要数小时的ALE方法。模拟结果与试验结果吻合良好，验证了等效速度场方法的准确性。

基于快速模拟方法，研究人员对SPAS各构件的能量吸收进行了分析。结果表明，外板吸收能量最多，其次是弧形支撑和T型加强筋，三者之和平均占总吸收能量的83%。基于此，研究人员建立了半解析方法：假设外板挠度曲线满足双余弦模式，采用刚塑性材料模型推导外板的薄膜应变能和弯曲应变能；采用面积均布法处理T型加强筋的能量和刚度；将弧形支撑离散为一系列弧形条板，基于塑性力学分析推导其薄膜和弯曲应变能。通过能量守恒原理，令爆炸输入能量等于SPAS总吸收能量，求解外板最大挠度。四个试验工况的计算结果与试验结果相比，预测误差均在10%以内。

三、主要技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：试验方法方面，设计了可重复使用的试验框架，采用激光位移传感器测量外板中心位移，使用100g球形TNT装药进行陆上水下爆炸试验；数值模拟方面，建立了基于等效速度场的快速模拟方法，将水下爆炸冲击波载荷转化为等效初始速度场施加于结构，在ABAQUS中采用S4R壳单元和Johnson-Cook本构模型进行显式动力学分析；理论分析方面，采用刚塑性材料假设和能量守恒原理，基于双余弦变形模式推导外板、T型加强筋和弧形支撑的能量吸收表达式，建立半解析预测方法。

四、研究结果分析

4.1 试验结果

通过系列试验研究了SPAS在UNFNCE下的变形模式和最大挠度。外板呈现内凹锅底状变形，最大挠度位于正对爆心处，边界处挠度为零。变形轮廓在长度和宽度方向均服从余弦分布。T型加强筋与外板变形模式一致，弧形支撑呈现压缩和弯曲变形。不同工况下模型表现出相似的失效模式但最大挠度不同。

4.2 快速模拟方法

建立了基于等效速度场的快速模拟方法。根据Cole水下爆炸理论，当爆距超过装药半径六倍时，平板在水下爆炸冲击波载荷下吸收的能量可用能量通量密度表示。基于能量守恒，冲击波总能量假设完全转化为平板的初始动能，推导出等效速度场呈一阶分布。最大速度随炸药质量增大而增大，随爆距、板厚和密度增大而减小。该方法仅适用于冲击波主导结构损伤的水下近场非接触爆炸。

4.3 能量吸收分析

快速模拟结果表明，外板吸收能量最多，其次为弧形支撑和T型加强筋。三者之和平均占总吸收能量的83%。弧形支撑通过薄膜作用和弯曲作用两种方式耗散能量。能量分配系数η对支撑板的高度和弯曲刚度敏感，较高的支撑板和较低的弯曲刚度会限制应力波向内层结构的传递，导致η值增大。

4.4 半解析方法验证

通过推导各构件能量吸收表达式并计算爆炸输入能量，建立了半解析方法预测SPAS在UNFNCE下的塑性变形。四个试验工况的最大挠度预测误差均在10%以内，验证了该方法的准确性。该方法适用于需要快速评估的工程应用场景。

五、结论

本研究通过试验、数值和半解析方法的结合，系统研究了SPAS在水下近场非接触爆炸作用下的塑性变形。主要结论如下：

（1）在水下近场非接触爆炸条件下，SPAS外板呈现“双余弦”形变形模式。从能量角度看，外板吸收输入能量的最大部分，其次是弧形支撑和T型加强筋。弧形支撑通过薄膜和弯曲两种作用耗散能量。三者合计约占总能量吸收的83%。

（2）提出了基于等效速度场的快速模拟方法，适用于指定爆距范围内仅考虑冲击波效应的水下近场非接触爆炸。与传统ALE方法相比，该方法在保持高精度的同时具有优越的计算效率。其适用性可扩展到类似爆炸载荷条件下的平板和加筋板。

（3）通过将模拟结果与基于能量的塑性力学分析相结合，建立了预测SPAS在UNFNCE下塑性变形的半解析方法。通过推导各结构构件的能量吸收表达式和计算爆炸诱导能量，可以有效确定外板的挠度场。该方法适用于需要快速评估的工程应用，计算误差小于10%。