水下爆炸載荷作用下加筋板的毀傷模式研究

1復雜結構響應問題水下爆炸是平臺和水中其他船舶的主要威脅。研究此類爆炸載荷作用下艦船局部加筋板架結構的變形和失效模式對防御水下爆炸載荷十分重要。結構在強動載荷作用下將發生塑性大變形響應甚至出現拉伸撕裂或剪切破口,這類問題不僅涉及高應變率、材料非線性和幾何非線性問題,還涉及復雜加筋、流-固耦合、邊界條件等,給該問題的理論分析帶來了很大困難。對結構的理論響應解限于固支方板或簡單加筋S.B.Menkes等本文中對不同藥量爆炸時復雜加筋板的毀傷模式進行研究,分析不同影響參數對破壞模式的影響,并分析不同毀傷模式之間的臨界載荷值及判別條件。為了明確接觸爆炸和非接觸爆炸的區別,將從毀傷模式的角度對接觸爆炸的定義進行探討。2計算方法的建立2.1主介質的波浪模擬方斌等2.2tnt主要參數模型為加筋板結構,總體尺寸為1000mm×1000mm×1.5mm,每個方向均勻布置5根加強筋,如圖1所示,加強筋采用T型材,尺寸為式中:σ流場尺寸為3m×3m×2.5m,網格尺寸為50mm×50mm×50mm,共180000個歐拉六面體單元,上面0.5m為空氣,下面2m為水,空氣邊界為流入流出邊界,水域邊界為流出邊界,加筋板位于水面以下0.2m,TNT炸藥位于板架正下方,如圖2所示。炸藥爆轟過程采用標準的JWL方程來模擬。TNT狀態方程如下式中:η=ρ/ρ沖擊波在水中的傳播模擬利用水的狀態方程。在MSC.Dytran中,水的狀態方程采用多項式形式式中:ρ沖擊波在空氣中的傳播利用理想氣體狀態方程模擬:p=(γ-1)ρe,其中ρ為空氣密度,ρ=1.211kg/m3實驗中的結果的評估3.1模型材料的選用按照與數值模擬相同的工況進行了底部加筋板結構模型加工和相關實驗。模型材料采用常見的普通鋼Q235。實驗在室內爆炸洞進行,模型水平固定,浸入水中0.2m,將TNT炸藥放置在模型中央正下方0.2m處,如圖3所示。3.2實驗結果與模擬結果的比較圖4為數值計算結果與實驗結果的對比。由圖4可以看出,實驗結果與數值模擬結果非常相似,實驗中模型中間區域有4個板格出現破損,模型四周出現撕裂,整體板架出現大的塑性變形。說明該方法可用于水下爆炸載荷作用下加筋板的毀傷研究。4板框架損傷模型4.1加筋板架結構等效為了研究藥量、爆距、沖擊波峰值壓力和沖量、結構材料的屈服極限強度、結構板厚和加筋板架結構加強筋大小等因素對結構毀傷模式的影響,分別研究以下量綱一參數對結構毀傷模式的影響。(1)比例距離對于給定的爆炸,峰值壓力p式中:W為裝藥TNT當量,R為爆心到結構的距離,R為比例距離。(2)量綱一爆距用量綱一爆距R/r(3)量綱一損傷數由于比例距離及量綱一爆距僅考慮了載荷(藥量和距離)的影響,沒有考慮結構的影響。W.Johnson式中:I為結構單位面積上受到的沖量,ρ為材料密度,σ(4)損傷因子量綱一損傷數D等效厚度的基本思想是面積等效(即質量等效),即將加強筋的截面積等效到板中。由于加筋板抗彎、抗拉時,只有外板和一個方向的加強筋起作用,但是為了考慮另一方向加強筋的影響,將橫向和縱向加強筋截面積的平均值等效到板中。(5)加筋板架相對藥量因子描述近距爆炸時炸藥量的大小必須相對作用目標而言,而加筋板架結構中加強筋大小對加筋板架結構破壞模式的影響程度最大,為此引入加筋板架相對藥量因子k式中:W為裝藥TNT當量,kg;I為加筋板架加強筋在板架彎曲方向上的剖面慣性矩(含帶板),m4.2x不同工況下的破壞模式數值計算通過改變爆距來計算加筋板架結構的毀傷破壞模式,得到不同工況下的計算板架的變形及毀傷模式的變化規律,表1給出了不同炸藥量和爆距的計算工況及計算結果,表中l為距板架距離,x不同工況時的數值模擬結果表明,可將板架不同情況下的毀傷分為以下4種模式:模式Ⅰ是板架僅出現塑性大變形,模式Ⅰ又細分為2種模式:Ⅰa為邊界無明顯應變集中現象;Ⅰb為邊界出現明顯應變集中現象;模式Ⅱ是以邊界首先出現拉伸撕裂為標志;模式Ⅲ為邊界首先出現剪切破壞為標志;模式Ⅳ為板架中間首先出現剪切破口為標志。數值計算分別采用3種藥量:大藥量20kg、較大藥量0.57kg和小藥量0.02kg,求出大藥量、較大藥量和小藥量對應的加筋板架相對藥量因子k4.3數值模擬的優越性為了更好地研究結構的變形及破損過程,可以利用有限元程序分析其瞬態變形過程。由于水下爆炸涉及到水中沖擊波和結構體相互耦合作用,并在極短的時間內產生非線性動態響應過程的復雜問題,實驗只能給出最終的結構破壞模式,不能看到爆炸過程中結構的變形情況,數值模擬可以很好地彌補這個缺陷。圖5給出了較大藥量(k由數值模擬可以看出,加筋板的毀傷過程分成2個階段:(1)當沖擊波波頭作用到板格上時,沖擊波能量迅速轉化為板格的動能,中間區域4個板格都出現了剪切破壞,如圖5(b)所示;(2)隨著沖擊波能量進一步傳播,整個板架開始吸收能量,并出現了整體板架的大的塑性變形,這時板架進一步運動,較大的動能使板架固支部位達到拉伸極限出現了撕裂,如圖5(d)所示。4.4板架的毀傷模式當大藥量爆炸時,得到了板架的4種毀傷模式。當量綱一爆距R/r當較大藥量爆炸時,板架出現了3種毀傷模式(模式Ⅰ、模式Ⅱ和模式Ⅳ)。當R/r當小藥量爆炸時,板架出現了2種毀傷模式(模式Ⅰ和模式Ⅳ)。由于藥量較小,當R/r由不同藥量的計算結果可以看出,R和R/r由計算可知,當k5藥包半徑的定義對于接觸爆炸與非接觸爆炸的區分,一直以來沒有明確的定義。一般認為接觸爆炸不是傳統意義上的與結構相接觸的爆炸,也不能簡單定義為幾倍的藥包半徑。上述研究表明,對接觸爆炸與非接觸爆炸的區分可以從毀傷模式上進行判別。當板或板架結構首先出現中間剪切破口(模式Ⅳ)時的最大量綱一爆距R/r6數值模擬仿真應用有限元軟件MSC.Dytran模擬了復雜加筋板結構在水下非接觸爆炸荷載作用下的動力響應及破壞模式。通過分析得出以下結論:(1)借助于有限元程序通過合適的數值模擬方法可以較好地模擬水下爆炸作用下復