一种用于舰船舱段静爆试验的毁伤等效实尺度舱段模型

摘要

本发明公开一种用于舰船舱段静爆试验的毁伤等效实尺度舱段模型，属于船舶技术领域。包括：典型船舶舱段1、一号水密舱室2、二号水密舱室3、底部边界模拟舱4、前边界模拟舱5、后边界模拟舱6和顶部边界模拟舱；其特征在于，所述的底部边界模拟舱4由水泥基座支撑，水泥基座固定在水平地面，自地面至底部边界模拟舱4的底部由沙土堆积覆盖；所述的前边界模拟舱5、一号水密舱室2、二号水密舱室3、典型船舶舱段1和后边界模拟舱6依次布置在底部边界模拟舱4上；所述的顶部边界模拟舱位于前边界模拟舱5、一号水密舱室2、二号水密舱室3、典型船舶舱段1和后边界模拟舱6上方。

说明书

技术领域

本发明属于船舶技术领域，具体涉及一种用于舰船舱段静爆试验的毁伤等效实尺度舱段模型。

背景技术

大型水面舰船在现代海战中起着举足轻重的作用，是海上国防力量建设里最为关键的部分之一，突出的制海、制空和对岸攻击能力使得其成为极为重要的作战装备与战略威慑。第二次世界大战以来，反舰导弹已经逐渐成为全球主要的反舰武器，特别是智能化、超音速、新型推进、综合突防、精确制导和混合装药等技术的广泛应用，反舰导弹对舰船的打击能力有了显著的提高，使得大型水面舰船所面临的威胁越来越大。战斗部对目标舰船上层建筑的综合毁伤效果研究就具有重要意义。由于实船试验耗费庞大，实施上又十分的困难，在我国现有国情下，还仅能对个别船舶开展试验；缩比模型试验不仅在模型制造方面存在一定困难，而且得到的结果无法通过相似关系换算到实船上，所以也不能采用这种方法对典型舱室的毁伤效果进行有效的评估，因此需要设计出一种毁伤等效实尺度的舱段模型用于静爆试验。国内也有许多的船舶静爆试验舱段模型的设计，例如授权公众号为CN102323035A的专利介绍了一种船舶抗冲击试验局部舱段模型，但是该模型仅可适用于水下爆炸，不能用于静爆，因此需要设计出静爆实尺度模型。

发明内容

发明目的是为了克服现有技术的种种不足，本发明的目的在于提供一种可以经济、准确、有效地考核船舶典型舱段在舱内静爆作用下的局部毁伤效果的实尺度舱段模型。

本发明的目的是这样实现的：

一种用于舰船舱段静爆试验的毁伤等效实尺度舱段模型，包括：典型船舶舱段1、一号水密舱室2、二号水密舱室3、底部边界模拟舱4、前边界模拟舱5、后边界模拟舱6和顶部边界模拟舱；其特征在于，所述的底部边界模拟舱4由水泥基座支撑，水泥基座固定在水平地面，自地面至底部边界模拟舱4的底部由沙土堆积覆盖；所述的前边界模拟舱5、一号水密舱室2、二号水密舱室3、典型船舶舱段1和后边界模拟舱6依次布置在底部边界模拟舱4上，前边界模拟舱5和后边界模拟舱6位于两端，一号水密舱室2与前边界模拟舱5相连，典型船舶舱段1和后边界模拟舱6相连，二号水密舱室3位于一号水密舱室2和典型船舶舱段1中间；所述的顶部边界模拟舱位于前边界模拟舱5、一号水密舱室2、二号水密舱室3、典型船舶舱段1和后边界模拟舱6上方。

所述的典型船舶舱段1、一号水密舱室2、二号水密舱室3、前边界模拟舱5和后边界模拟舱6均包括：甲板与横舱壁；甲板上设有纵桁、横梁与肋骨，横舱壁上设有肋骨。

所述的典型船舶舱段1设有窗户。

所述的一号水密舱室2和二号水密舱室3均设有窗户，且在一号水密舱室2和二号水密舱室3内均布置质量快，所述的质量快的质量和目标舰船设备相等。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过设计一种用于舰船舱段静爆试验的毁伤等效实尺度舱段模型，进行相应的船舶舱段静爆试验，开展战斗部对目标舰船上层建筑的毁伤效果评估，可以有效的避免实船试验费用高，实施困难等缺点，有效的弥补普通缩尺度试验与实际毁伤效果不吻合的缺陷，解决了缩比模型试验难以向实船相似转换的问题。

本发明最大的特点是提出了一种用于舰船舱段静爆试验的毁伤等效实尺度舱段模型，它拥有的优点如下：

1.结构设计原则

舱段的结构设计兼顾考虑试验准确性，经济性，在经济可行的条件下，尽可能真实的考察了舰船舱内静爆对实船的毁伤效果，具体表现如下：

1)准确性。对于不同的舰船，舰船的上层建筑布置特点以及静爆所受冲击载荷的形式是有所区别的，因此船舶重点考核区域的不同将导致舱段模型的外观以及内部结构连接形式有所差别。本模型舱段内部的结构都尽可能的真实反映了实际船舶的情况，并且在模型上与实际舰船一致开设门窗，以模拟门窗对舱内爆炸的抗冲击能力。

2)经济性。在确保试验舱段模型可以准确的对实际舰船上层建筑结构特点以及实际舰船上各型材、板材连接形式正确反映的基础上，本模型通过截选出实际船舶的重点考核位置进行模型设计，并且通过动力学等效原理，通过简化板架结构以及Q235钢材来代替目标舰船的实际钢材，从而能极大的提高经济性。

3)可行性。为了确保试验的顺利进行，本试验装置在考虑到具体试验目的与外部环境，在确保模型准确性与经济性的前提下，为避免过大的刚性位移，将模型与基座刚性固定，并采用沙土堆积来避免反射波，确保试验的顺利进行。

2.结构技术方案

本发明是基于典型目标舰船，所以围绕着典型舰船的上层建筑典型舱段进行模型的设计，具体特点如下：

1)各种面板、甲板、纵桁、纵骨、横梁都将参与到舰船的毁伤环境中，因此在模型的设计中应包括上述典型结构。并且通过板架的弹塑性变形动力等效原则，将船体板架结构简化成刚塑性交叉梁系。

2)考虑到舱内爆炸发生时，除了对爆源所在舱室有较强的毁伤效果以外，对邻近舱室也会产生严重毁伤，因此本模型纵向采用了三舱段结构。

3)在爆源邻舱布置与实际目标设备等质量的质量块来考察舱内爆炸对邻舱设备的实际毁伤效果，并且设计与实船保持一致的门窗。

本发明具有以下的特点：

1)完备的船舶典型结构。典型船舶上层建筑舱室作为主要的爆炸区域，包括了底部纵桁、纵骨、横梁等一些典型的船舶结构，通过板架的弹塑性变形动力等效的原则，将船体板架结构简化成刚塑性交叉梁系并且舱段的型材不进行缩比而采用真实的尺寸。并且预留出边界条件模拟舱，可以准确的模拟实船爆炸时整船对典型舱段的影响。采用该舱段模型进行静爆试验，其结果准确可信。

2)较低的模型制造成本。模型的整体尺度不大，并且结构的复杂程度较低，并且不完全采用特种钢材，而是通过动力学等效原理来使用Q235钢材来替代特种钢，对比耗资巨大并且难以操作的实船试验则具有极高的经济性。

3)拥有较强的可操作性，整个模型的尺度较小，方便运输与整体吊装。

附图说明

图1为本发明的侧视图；

图2为本发明的典型横剖面示意图；

图3为本发明的俯视图；

图4为本发明的A视角图；

图5为本发明的B视角结构图；

图6为固定的模拟质量块；

图7为加速度传感器布置的俯视图与侧视图；

图8为压力传感器布置图；

图9为应变片布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出详细说明：

针对战斗部对目标舰船舱内爆炸局部毁伤效果的评估，本发明公开了一种用于舰船舱段静爆试验的毁伤等效实尺度舱段模型。它是由三个独立的水密舱室以及边界模拟舱构成的箱体，该模型通过动力学等效原理对某9000吨级目标舰船典型上层建筑某舱段进行等效设计。箱体的长度取目标舰船沿船长方向的14～16倍肋距，宽度取船宽的三分之一，高度取舰船主甲板以上3-4米；本模型包括3个水密舱室和6个边界模拟舱室，三个典型水密舱室包括一个典型船舶舱室和两个尺寸较小的空舱。典型船舶舱室与两个空舱相连，并且三舱周围布置有边界模拟舱室。在典型船舶舱室与上方的边界模拟舱顶部分别预制两个战斗部倾彻破口。箱体的底部与水泥基座固定，并且采用沙土将最下层的边界模拟舱堆积掩埋。本发明通过设计典型舰船实尺度舱段模型，开展相应的模型舱内静爆试验，研究战斗部舱内爆炸对目标舰船的局部毁伤效果，包括爆炸冲击波、高速破片以及火球毁伤。试验模型通过数值仿真校核计算得出的局部毁伤效果，与实际舰船静爆试验的出的毁伤效果类似。

一种用于舰船舱段静爆试验的毁伤等效实尺度舱段模型，其特征在于：他是由三个水密舱室、边界模拟舱室组成的箱体。把整个模型分为纵向三舱段模型，爆源所在的典型舱室和两个独立的空舱依次布置。

模型是基于数值仿真计算毁伤结果进行校核的，并且通过数值计算得出的毁伤效果与实船试验得出的毁伤效果相似。

整个箱体模型内部根据实船的真实情况，布置有对应的门窗，并且通过与实际舰船设备等质量的质量块的布置，来模拟舱内静爆对船舶设备的毁伤。

在最上方边界模拟舱的两块板上分别开有一个预置倾彻破口，来避免爆炸实际毁伤效果与实际效果的差异。

舱段底部与水泥基座固定之后，采用了沙土将最下层舱室堆积掩埋，有效的避免边界截断造成的额外应力波反射。

通过动力学等效原理，进行了一系列的相似设计来达到设计的简便以及经济的效果。具体为通过板架的弹塑性变形动力等效的原则，将船体板架结构简化成刚塑性交叉梁系；针对实船真实的上层建筑结构，全部采用等效厚度的Q235钢材来等效实际目标舰船的上层建筑，从而大大的提高了模型的经济性。

该模型通过对实际舰船结构的等效设计，增加6个边界条件模拟舱室，以避免截断误差的影响。

为了测量包括冲击波毁伤破口尺寸、塑性区范围、冲击环境、火球扩散情况、高速破片穿透舱壁能力在内的数据，在试验中配备测量设备如加速度传感器、应变片、压力传感器等：加速度传感器布置于主要甲板和舱壁，对于用于模拟船舶设备所安置的质量块和基座，为了分析其冲击响应，分别在基座与质量块上布置加速度传感器；压力传感器布放位置为甲板中心与舱壁表面；在爆炸舱内和相邻舱室内布置应变片来探究舱内静爆过程中，爆炸载荷对上层建筑的毁伤范围，并确定爆炸塑性损伤区。

将板架结构等效为交叉梁系，理论推导出破口尺寸和变形与基本参数之间的关系，以破口尺寸和变形尺寸为目标，建立不同材料的板厚与加筋形式之间的等效形式。

本发明涉及一种用于舰船舱段静爆试验的毁伤等效实尺度舱段模型，具体说是一种符合舰船实际材料、结构和力学特征的，可用于进行船舶静爆试验的局部舱段模型。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种用于舰船舱段静爆试验的毁伤等效实尺度舱段模型，它是由三个独立的水密舱室以及边界模拟舱构成的箱体；两个独立水密舱室位于典型船舶舱室的正前方；箱体的底部与水泥基座固定，并且采用沙土将最下层的边界模拟舱堆积；箱体的截面形状与目标舰船沿船长方向取14～16倍肋距，沿船宽方向取船宽的三分之一，沿垂向自船底向上取至主甲板以上3～4米位置高度所处区域形状相同；本模型包括6个边界模拟舱室，所述边界模拟舱室位于典型船舶舱室与两个独立水密舱室的四周与上下；两个独立水密舱室位于典型船舶舱室的正前方。

进一步地，所述的边界模拟舱、典型船舶舱段与水密舱包括甲板与横舱壁，甲板上设有纵桁、横梁与肋骨；横舱壁上设有肋骨。

进一步地，在顶部边界模拟舱与典型船舶舱室的顶部分别设有两个预置的战斗部倾彻破口，来避免爆炸过程中的因为泄爆而导致的与实际船舶试验的误差。

进一步地，在两个水密舱室内部分别预置质量块用作模拟设备，模拟设备与设备基座连接方式与实船一致，并在模拟设备上布置加速传感器，以考核舱内爆炸对邻舱设备的实际毁伤能力。

进一步地，在典型船舶舱段与两个水密舱室分别布置窗户，并且在模型的后方布置门，以模拟门窗的抗冲击能力，与实船保持一致。

进一步地，本模型全部采用Q235钢设计，并且采用动力学等效原理，找到真实上层建筑结构的等效结构形式，并用于本模型，包括等效面板厚度，扶墙材尺寸等，并且通过板架的弹塑性变形动力等效的原则，将船体板架结构简化成刚塑性交叉梁系。

进一步地，模型箱体的底部与水泥基座固定，并且采用沙土将最下层的边界模拟舱堆积掩埋，这样使应力波传导入沙土中，避免边界截断造成的反射现象所导致的实船毁伤效果的增强。

进一步地，为了测量爆炸引起的冲击环境，在甲板和舱壁位置布置加速度传感器；为了分析模拟设备冲击响应，分别在基座与质量块上布置加速度传感器；为了测量自由场、反射场压力和舱室壁压，在甲板中心与舱壁表面布置压力传感器；为探究舱内静爆过程中，爆炸载荷对上层建筑的毁伤范围，并确定所致爆炸塑性损伤区，在爆炸舱内和相邻舱室内布置应变片。

如图1至图6所示：本发明的一种用于舰船舱段静爆试验的毁伤等效实尺度舱段模型是由底部边界模拟舱4、典型船舶舱段1、两个独立的水密舱室2和3、前后边界模拟舱5和6、顶部边界模拟舱构成的箱体；箱体的截面形状与目标舰船沿船长方向取15倍的肋距，沿船宽方向取船宽的一半，沿垂向自船底向上取自主甲板向上第一个舱室的高度。底部边界模拟位于整个模型的最下面，并且由3个水泥基座支撑，水泥基座固定在水平地面，自地面至底部边界模拟舱由沙土堆积覆盖；典型船舶舱段1与两个独立水密舱2、3直接相连，并且在典型舱段侧面开窗户两扇，两个独立水密舱室分别开窗一盏，并且在独立舱室2、3内分别布置有与目标舰船设备等质量的质量块，通过图6所示的连接方式刚性固定或弹性固定于甲板；典型舱室1与其上方的边界模拟舱室上开有两个预置倾彻破口，破口的位置根据实际弹体形状，重量以及倾彻的初速度、攻角、着角有关；在典型船舶舱段的前方开有一扇门；模型中的所有型材通过板架的弹塑性变形动力等效的原则，将船体板架结构简化成刚塑性交叉梁系，并且通过焊接焊接于指定位置。

舱段模型中的典型结构均采用CO₂气体保护焊，焊接工艺标准严格按照船级社的相关焊接规范要求，并且结合船厂具体施工工艺要求限制。

本发明的一种用于舰船舱段静爆试验的毁伤等效实尺度舱段模型，在整体结构上与舰船实际结构完全一致，通过采用三舱段结构设计，为推动科研考察进程做出一定的贡献。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。