一种基于等效缩比模型的舰船舱室内爆炸结构毁伤评价方法

摘要

本发明公开了一种基于等效缩比模型的舰船舱室内爆炸结构毁伤评价方法，包括如下步骤：采用压力传感器获取等效装药在缩比舱室内爆炸的冲击波压力曲线和准静态压力曲线，然后对试验数据进行处理，得到压力峰值和相应的压力冲量；根据舱壁所受压力的正压作用时间和舱室的自振周期，确定等效舱室内爆炸的毁伤准则；划分毁伤等级，确立等效舱室的结构毁伤阈值，并以此为基础评价实船舱室结构的毁伤效果。本发明以一种舰船舱室内爆炸效应缩比等效模型为试验载体，提出一种基于等效缩比模型的舰船舱室内爆炸结构毁伤评价方法，有助于降低试验成本，缩短研究周期，有效支撑反舰武器的发展和应用。

说明书

技术领域

本发明属毁伤评估技术领域，主要涉及一种毁伤评价方法，特别是一种基 于等效缩比模型的舰船舱室内爆炸结构毁伤效应评价方法。

背景技术

毁伤评估是综合考虑战役战术目的、战场环境、火力、目标性质等因素， 综合分析与评定武器弹药对目标实际毁伤效果的过程。反舰导弹是攻击海上舰 艇目标的重要武器，以反舰导弹战斗部为例，毁伤评估技术在其研制和服役阶 段的各个环节，均具有重要的作用和意义。在反舰战斗部的研制(论证、方案、 工程研制和定型)阶段，毁伤评估技术有助于形成合理指标体系、形成设计方 案、修正设计、表征威力属性；在反舰战斗部的服役(勤务、训练和作战等) 阶段，毁伤评估技术可以建立弹药毁伤数据库、提供火力配置依据等。因此， 研究反舰战斗部对舰船目标毁伤效果的评价方法，有助于发展毁伤评估技术， 推动武器弹药的发展和应用。

研究反舰战斗部对舰船目标毁伤评估主要通过以下四种手段实现：实船试 验、等效船舱试验、工程评估计算模型和数值仿真。其中，实船试验和等效试 验是舰船目标毁伤评估的基础，为数值仿真和工程评估计算模型提供基础数据 和设计修正。工程评估模型是基于大量毁伤数据建立的相对简单的评估模型， 完善的评估模型能够实现快速、精确、低成本的毁伤评估，但其精确性需要大 量试验数据的积累，而现在比较缺乏这方面数据的积累。实船打靶方法能够获 得准确、可靠的毁伤结果，但周期长、成本高、耗资大，在科研经费比较充裕 情况下可以采用。数值仿真手段在舰船内爆炸中的应用受制于两个条件，一是 爆炸场计算需要的网格密度大，单元总数多，计算时长大，计算成本很高；二 是内爆炸场存在气体和固体的多重耦合作用，现有的算法无法模拟这种情况， 精确度无法保证。等效船舱试验是通过舰船舱室的等效靶标，开展反舰战斗部 爆炸试验，以设计等效靶标的毁伤效果评价反舰战斗部对实船的毁伤效果，研 究成本较低，精确度较好。

现有技术的不足和缺陷为：(1)冲击载荷和舱室结构的动力响应较难获取， 不能为舰船舱室结构毁伤评价提供详细参量；(2)舰船舱室内爆炸毁伤评价方 法周期长、研究成本高、耗资大。

发明内容

本发明的目的，是以舰船舱室等效缩比模型(见图1)为试验载体，提供一 种通过缩比模型评价实船舱室结构内爆炸毁伤的方法。在等效缩比舱室内测量 舱壁的冲击波压力和准静态压力，分析处理测试数据，判断毁伤准则，划定毁 伤标准，确定毁伤阈值，评价反舰战斗部对舰船舱室结构的毁伤效果。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术解决方案：

一种基于等效缩比模型的舰船舱室内爆炸结构毁伤效应评价方法，该方法 包括如下步骤：

步骤一：内爆炸冲击波作用和准静态压力获取

舰船舱室内爆炸结构毁伤评价试验装置为舰船等效缩比舱室，在舱室舱壁、 前舱壁、下甲板的中心区域布设压电型压力传感器，在左下角和右上角角隅布 设压阻型压力传感器。将装药悬挂到等效舱室的几何中心；测量在内爆炸时的 冲击波压力曲线和准静态压力曲线，从冲击波压力曲线和准静态压力曲线获取 各点峰值、冲量和正压作用时间；记录等效舱室的响应。

对获取的准静态压力数据，除以压力传感器灵敏度，得到准静态压力峰值 (单位为MPa)和在一定时间长度内的冲量。

对从冲击波压力传感器获取的电压信号，除以压力传感器灵敏度，得到各 个测点的冲击波压力曲线，读取曲线上多峰的峰值(单位为MPa)和正压作用时 间，并以冲击波上升前沿为起始点，对冲击波压力进行积分，得到冲量对积分 时间的变化曲线。

步骤二：结构毁伤准则类别

结构受到瞬时压力载荷作用时，产生变形取决于载荷大小及正压持续作用 时间，结构的质量分布及刚度特性。结构对冲击波载荷的响应特性，可以通过 一维线弹性系统的运动分析得到。一维线弹性系统可以用图2所示的质量-弹簧 系统来表示。对质量-弹簧系统施加准静态力和脉冲载荷，推导其响应的计算公 式。

系统质量为m，自振频率为ω，相应的自由振动周期T，由刚度为k的弹簧 连接到固定支点。典型的爆炸冲击波脉冲信号，可以由单位力p_m、持续作用时 间t、衰减系数θ和冲量I确定。其运动方程为

$m\stackrel{··}{x}+c\stackrel{·}{x}+\mathrm{kx}=F\left(t\right).---\left(1\right)$

施加脉冲载荷，系统产生的位移可以写为：

x_m＝p_m/ω²·f   (2)

其中，

$\left(\begin{array}{c}f={\omega }^2/p_m·[(x_0+A)·\cos \left(\mathrm{\omega t}\right)+({\stackrel{·}{x}}_0/\omega +B)·\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)],\\ A=-\frac{p_m}{\omega }\int \theta \left(t\right)\sin \mathrm{\omega tdt},\\ B=\frac{p_m}{\omega }\int \theta \left(t\right)\cos \mathrm{\omega tdt},\end{array}\right)---\left(3\right)$

如果线弹性系统受到的外力为静态力p_s，则位移为：

x_s＝p_s/ω²   (4)

取最大动态位移除以静态位移，则有

$\frac{x_m}{x_s}=p_m/p_s·f.---\left(5\right)$

产生相同位移时，需要的脉冲压力峰值和静态压力之比为

p_m/p_s＝f^-1.   (6)

类似的，弹性系统外加一个脉冲载荷，最大静态位移可写为：

x_m＝I₀/ω.   (7)

用静态力表示相应压力为：

p_s＝I₀ω.   (8)

对于任何外加的脉冲压力，冲量可以写为：

I＝p_mq.   (9)

q＝∫θ(t)dt.   (10)

产生相同位移时，需要的脉冲冲量和静态压力冲量之比为

I/I₀＝p_m/p_s·ω·∫θ(t)dt.   (11)

这个关系式可以说明压力脉冲造成的动态结构响应的情况，而结构整体响 应是由不同类型的瞬态压力脉冲形成的位移。将具有上升前沿的脉冲载荷带入 上述计算式，可得：

(1)当t<T/5时，即脉冲持续作用时间t小于弹性系统自振周期T的1/5 时，I/I₀趋近于1，结构响应取决于脉冲的冲量，对冲量固定时峰值的变化不敏 感；

(2)当t>2T时，即脉冲持续作用时间t大于弹性系统自振周期T的两倍时， 对于有上升前沿的脉冲作用，p_m/p_s趋近于1，结构响应取决于峰值压力，结构响 应对脉冲的冲量不敏感；换成无上升前沿的冲击波，t要大于6T时，p_m/p_s趋近 于1。

(3)当冲击波脉冲持续时间t处于上述两种情况的中间状态时，结构响应 取决于冲量与峰值超压。

步骤三：通过数值计算或激光测振仪获取舱室整体结构和舱壁的固有振动 周期T，将之与步骤一得到的冲击波脉宽对比，根据步骤二，确定模拟舱室结构 毁伤准则归属类别。

步骤四：舱室结构毁伤等级

根据横隔壁的变形、破裂情况，确定舰船抗沉性指标，具体为：一舱进水、 二舱进水、三舱进水、四舱进水；依据结构响应判定舰船目标的毁伤等级，具 体为：轻度、中度、重度、沉没；一舱进水为轻度毁伤，二舱进水为中度毁伤， 三舱进水为重度毁伤，四舱进水为沉没。

步骤五：结构毁伤阈值确定

在冲量准则下，板架结构破坏的炸药爆炸临界载荷计算公式为：

I_cr≥σ_bh_e/c_p,   (12)

$h_e=(\mathrm{LB\delta }+\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{F}_{i}L+\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}{F}_{j}L)/\mathrm{BL},---\left(13\right)$

其中：I_cr为冲击波冲量，σ_b为板架极限强度，c_p为板架中的声速，h_e为板架等效 厚度，L为板架长度，B为宽度，板厚为δ，其上有纵向骨架n根，骨架断面积 为F_i，横向骨架m根，骨架断面积为F_j；

根据步骤一所得内爆炸下模拟舱室的冲量数据，采用上述板架结构破坏的 炸药爆炸临界载荷计算公式(12)计算得到模型舱室舱壁的临界毁伤阈值I_cr， 并将二者进行对比，判定各壁板的毁伤效果，根据步骤四确定等效舱室在相应 毁伤等级下的毁伤阈值；

步骤六：舰船舱室结构毁伤评价方法

基于等效缩比舰船舱室模型的缩比比例，将反舰战斗部的装药成比例缩小， 根据步骤三，确定毁伤准则归属；根据等效装药的爆炸作用和等效舱室结构毁 伤阈值，确定毁伤等级，该毁伤等级即为反舰战斗部对实船舱室作用时达到的 毁伤等级。

本发明的有益效果体现在以下几个方面：

(1)以舱室内爆炸效应缩比等效模型为试验载体，模拟反舰弹药实际使用 的密闭舱室环境，得到内爆炸作用下舱室结构受到的冲击载荷和结构的动力响 应，能够为舰船舱室结构毁伤评价提供详细参量。

(2)本发明提出的舰船舱室内爆炸毁伤评价方法，和舰船舱室内爆炸效应 缩比等效试验模型匹配，能够实现对舰船目标毁伤效应的评价，和实船爆炸相 比，研究成本低、周期短、性价比高。

附图说明

图1是一种舰船舱室毁伤效应研究的缩比等效试验模型；

图2是一维质量-弹簧系统结构原理；

图3是壁板冲击波载荷曲线；

图4是角隅处压力曲线；

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

如图1所示，本发明的优选实施例包括舱体1、压力测量安装座2、压力测 量组件3、振动测量安装座4、加速度计5、支撑柱6、装药孔7、定位块8。舱 体1是由上甲板1-1、下甲板1-2、右横隔壁1-3、左横隔壁1-4、侧舷1-5、后 隔壁1-6构成的有飞檐的长方体(参见图1)密封舱体。舱体1的尺度与原型的 比例为1:6(通过量纲分析，此比例舱室毁伤效果等效)。原型壁板上加强筋按 照体积等效方法换算为壁板的厚度，与原壁板厚度相加得到舱壁板的等效厚度。

本发明的参量获取方法：将装有压力传感器1-3的压力测量组件3安装到 压力测量安装座2上，其中在角隅处安装准静态压阻式压力传感器，其它部位 安装压电式压力传感器。将试验炸药通过装药孔7悬挂到舱体1的几何中心。 确认安全后，打开测试系统电源，起爆试验装药。

申请人采用本发明进行了100gTNT炸药的内爆炸试验，图3为前舱壁中部 传感器测得的冲击波压力，图4为角隅处压力传感器测得的压力。从图中可以 发现，100g装药内爆时，中部和角隅处产生压力的脉宽分别为0.2ms和0.4ms。 对于该缩比舱室模型，舱室结构的固有频率为218Hz，自振周期为T＝5ms。而各 处壁板所受载荷的脉宽均小于T/4＝1.25ms，因此缩比舱室结构对冲击波载荷的 冲量敏感，对压力峰值不敏感，符合冲量准则。

根据等效缩比舱室的结构，采用板架结构的冲量破坏公式，可以得到各个 舱壁的冲量毁伤阈值，前舱壁为633Pas,上下舱壁为633Pas,左右舱壁为480Pas。 专利发明申请人对该缩比等效模型进行了30g、50g、80g、100g、150g和180g 六种药量的内爆炸试验。150gTNT内爆炸时，上下舱壁的最大冲量575Pas，前 舱壁为524Pas，左右舱壁为475Pas，均小于毁伤阈值，舱壁不发生破坏；180gTNT 内爆炸时，上下舱壁的最大冲量742Pas，前舱壁为724Pas，左右舱壁为1071Pas， 均大于毁伤阈值，舱壁发生破坏，这种情况和试验状况相符，说明这种评定方 法是合理有效的。即180gTNT在缩比等效舱室内爆炸时，壁板会产生裂口，造 成破坏，此时两个横隔壁都会破裂，这可以代表三舱进水，属于重度毁伤。

以某65kgTNT装药对实船舱室结构的毁伤评价作为对比实例。实船舱室的 自振频率为32Hz，自振周期为31.2ms。65kgTNT产生的冲击波脉冲正压持续时 间为3ms左右，是模型结构自振周期的1/10，因此舱室结构的毁伤在这种情况 下符合冲量准则，和缩比舱室结构的毁伤准则相同。依照缩比原则，65kgTNT与 等效舱室中的301gTNT等效，该工况下缩比舱室结构会产生重度毁伤，根据该 评价方法，65kgTNT对实船舱室结构会造成重度毁伤。该评价方法得到的毁伤结 果与1:1实船舱室试验结果相符，说明了该评定方法的有效性。