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内爆载荷作用下多舱室结构的破坏仿真分析

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第３７卷第８期　
２０１５年８月　
舰船科学技术　

ＳＨＩＰ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｖｏ１．３７，Ｎｏ．８　Ａｕｇ．，２０１５　

内爆载荷作用下多舱室结构的破坏仿真分析　
李俊承，余春祥，牛公杰，李会敏　
（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川绵阳６２１９００）　

摘　要：　以典型舰船舱室为研究对象，分别建立对应２种打击模式下的多舱室结构模型。采用有限元分析软　
件，模拟多个舱室结构在内部爆炸冲击载荷作用下的变形和破坏过程，对炸药在舱内爆炸的毁伤特点以及舱室结构的　
破坏机理进行分析。分析结果表明，舱室结构破坏受炸药装药量、舱壁厚度、初始破口等因素影响，且初始破口对最终　
破坏效果的影响随着装药量的增加而降低。在对内部遭受较大装药量打击的舰船进行结构毁伤评估时，对于中心处　
起爆的情况，在进行多舱室建模时，可近似忽略导弹破口的影响，从而方便建模和计算过程。　
关键词：　舰船舱室；内部爆炸；毁伤；仿真分析　
中图分类号：ＴＮ９１１　文献标识码：Ａ　
文章编号：１６７２—７６４９（２０１５）０８—０００７—０５　ｄｏｉ：１０．３４０４／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—７６４９．２０１５．０８．００２　

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｗａｒｓｈｉｐ　ｃａｂｉｎｓ　ｓｕｂｊｅｃｔ　ｔｏ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｂｌａｓｔ　ｌｏａｄｉｎｇ　
ＬＩ　Ｊｕｎ－ｃｈｅｎｇ，ＹＵ　Ｃｈｕｎ—ｘｉａｎｇ，ＮＩＵ　Ｇｏｎｇ—ｊｉｅ，ＬＩ　Ｈｕｉ—ｒａｉｎ　
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｃｈｉｎａ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｍｉａｎｙａｎｇ　６２　１　９００，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｅ　ｔｈｅ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｗａｒｓｈｉｐ　ｃａｂｉｎｓ　ａｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｂｊｅｃｔｓ，ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｔｗｏ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　
ｍｏｄｅｌｓ　ｃｏ￣ｅｓｐｏｎｄｓ　ｔｏ　ｔｗｏ　ｃｏｍｂａｔ　ｍｏｄｅｓ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｓ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ　ｌｏａｄ．Ｔｈｅ　ｄａｍａｇｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　
ｄｙｎａｍｉｔｅ　ｅｘｐｌｏｄｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃａｂｉｎ　ａｎｄ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｃａｂｉｎ　
ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄａｍａｇｅ　ａｆｆｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｔｈｅ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｏｆ　ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ，ｂｕｌｋｈｅａｄ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ａｎｄ　ｉｎｉｔｉａｌ　
ｂｒｅａｋｓ：ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｂｒｅａｋｓ　ｅｆｆｅｃｔ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ　１ｏａｄ．Ｗｈｅｎ　ｔａｋｅｓ　
ｄａｍａｇｅ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｔｏ　ａ　ｗａｒｓｈｉｐ　ｗｈｉｃｈ　ｓｕｆｆｅｒｅｄ　ｂｉｇ　ｃｈａｒｇｅ，ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｔｈｅ　ｉｎｉｔｉａｌ　
ｂｒｅａｃｈ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｍｉｓｓｉｌｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｄ　ｉｇｎｏｒｅｄ，ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｆａｃｉｌｉｔａｔｅ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　
ｐｒｏｃｅｓｓ・　
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｗａｒｓｈｉｐ　ｃａｂｉｎｓ；ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ；ｄａｍａｇｅ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　

０　引　言　
大型舰船是现代攻防作战体系中常使用的海上　平台，而反舰导弹是打击舰船的主要武器装备。目　前反舰导弹多采用半穿甲战斗部，穿透舰船外壳进　入舰体内部爆炸，不仅对舰体结构造成严重破坏，　还对舱内仪器和人员构成致命威胁　。因此，舰船　舱室在内部爆炸载荷下的毁伤情况成了舰船设计与　导弹研发双方都十分关注的问题。　反舰战斗部侵入到舱室内部爆炸，主要的毁　伤要素是爆炸产物和爆炸冲击波。由于舱室的密　
封效应，爆炸冲击波在舱内多次反射，舱内流场　
远比自由大气中爆炸情况复杂，毁伤效果也更　
强　。开展舱室内爆研究，了解密闭／半密闭空间　
爆炸载荷特性以及结构破坏机理，对提高舰船生　
命力以及反舰武器毁伤效果评估都具有重要的工　

收稿日期：２０１４—０７—２１修回日期：２０１４—０８—２９　
基金项目：中国工程物理研究院总体工程研究所创新与发展基金资助项目（１２ｃｘｊ２１）　
作者简介：李俊承（１９８４一），男，工程师，主要研究方向为常规战斗部研制。　
・
８・　舰船科学技术　第３７卷　
程应用价值。　
本文在调研典型舰船舱室结构特性基础上，　
针对反舰导弹掠海侧舷攻击和顶部攻击２种模式，　
分别建立了３×３×１多舱室结构模型。采用Ｌｓ—　
ＤＹＮＡ模拟分析了多个舱室结构在内部爆炸冲击载　
荷作用下的变形和破坏过程，对炸药在舱内爆炸　
的毁伤特点以及舱室结构的破坏机理进行研究分　
析，对比同装药量、不同攻击模式下的多舱室毁　
伤结果。研究分析结果对舰船内部防爆结构设计　
以及反舰武器毁伤效果评估都具有一定的参考　
意义。　

１　仿真分析模型　
１．１　算法选取　
在分析的问题中，涉及流体流动、固体大变形　
以及流体与固体在复杂载荷条件下的相互作用等问　
题。ＬＳ—ＤＹＮＡ程序中提供了Ｌａｇｒａｎｇｅ，Ｅｕｌｅｒ和　
ＡＬＥ（任意拉格郎日欧拉算法）３种不同算法来描　
述流体与固体的相互耦合作用，其中ＡＬＥ算法兼具　
Ｌａｇｒａｎｇｅ算法和Ｅｕｌｅｒ算法的优点，在结构边界运动　处理上能有效地跟踪物质结构边界；同时在求解过　程中网格还可以根据定义的参数适当调整位置，克　服网格严重畸变的问题　。因此，本文中选取ＬＳ—　ＤＹＮＡ程序提供的ＡＬＥ算法建立流体与固体间的联　系，实现流固耦合的动态分析，模拟炸药在舱室内　爆炸后舱室结构的响应和破坏。　１．２材料特性　爆炸冲击载荷作用下，结构材料产生快速变形，　与受静载荷作用的情况相比，动态屈服应力比静态屈　服应力有明显提高，材料力学性能表现更为复杂。因　此，船用钢板选用与应变率相关的各向同性塑性随　动硬化模型　，程序中用关键字％ＭＡＴ—ＰＬＡＳＴＩＣ—　ＫＩＮＥＭＡＴＩＣ定义，材料密度为７　８００　ｋｇ／ｍ　，泊松比　０．３３，弹性模量２．０７×１０“Ｐａ，屈服强度约４００　ＭＰａ，塑性失效应变　占…＝０．２８。考虑到在冲击作　用下薄壁材料和结构易出现断裂、绝热剪切等破坏，　在计算模型中增加最大剪应变失效准则，剪切失效　应变…　…＝０．１２。利用单元删除技术模拟舱室的　破坏，即当单元变形引起的塑性变形或剪切应变超　过临界值时，认为该单元破坏。　炸药由材料模型和状态方程共同描述，程序中　用关键字　ＭＡＴ—ＨＩＧＨ—ＥＸＰＬＯＳＩＶＥ—ＢＵＲＮ来定义　材料模型。爆轰压力Ｐ、单位体积内能Ｅ和相对体　积　的关系采用Ｊｏｎｅｓ—Ｗｉｌｋｉｎｓ．Ｌｅｅ（ＪＷＬ）状态方程　加以描述：　Ｐ：Ａ（　一　）ｅ　（　一　）ｅ　，（１）　式中：　为材料常数；Ａ，Ｂ，Ｒ　，Ｒ　为材料常数。计　算中ＴＮＴ炸药的材料参数为：Ａ＝３７４　ＧＰａ，Ｂ＝　３．２３　ＧＰａ，Ｒｌ＝４．１５，Ｒ２＝０．９５，　＝０．３，Ｅ＝　４　８００　Ｊ／ｇ。　空气采用ＮＵＬＬ材料模型以及符合伽马定律的　线性多项式状态方程描述，函数为：　Ｐ＝（ｖ一１）ｐｅ。　（２）　计算中空气状态方程的参数分别为：初始密　度Ｐ。＝１．２９　ｋｇ／ｍ　，绝热指数　＝１．４，比内能ｅ＝　２．０　ＭＪ／ｋｇ。　１．３　舱室结构及有限元模型　现代大型舰船船体横向以甲板和平台分为若干　层空间，纵向以隔壁分为若干水密舱段，为提高舰　
船生命力，在关键部位还有装甲和隔舱等各种防护　
措施。舰体内部舱室通常按层序布置，像弹药舱、　
燃油舱、动力舱等一类重要舱室通常分布于船身中　
部水线以下位置，且具备多层复杂防御结构，被直　
接命中和破坏的概率很小。相比较而言，人员居住、　
生活服务类舱室分布较广，被击中的概率较大，因　
此，本文主要以此类舱室作为研究目标，根据文献　
［６］中数据，此类舱室多数面积在１０　ｍ　左右，由一　
般甲板间高度在２．４～２．８　Ｉｎ范围内可知，舱室空间　
大小约为２７　ｍ　。　
数值模拟中，在同一平面上建立９个舱室，单　
个舱室尺寸为３　ｉｎ　ｘ　３　ｍ×３　ｉｎ，舱室四周壁厚取　
６　ｍｍ，上、下舱板厚度取２０　ｍｍ　。假设导弹从　
侧舷／顶部穿人中心舱室，舱壁上留下一个约　
５００　ＩＴＩＢ的破口，起爆位置在中心处，模型具体　
结构如图１和图２所示。　
建模过程中，建立包括炸药、空气和舱室钢板　
３种物质。舱室钢板使用ＳＨＥＬＬ１６３单元模拟，炸　
药与空气采用显式实体单元ＳＯＬＩＤ１６４模拟，炸药　
药量根据一般反舰战斗部的装药量设计为５０　ｋｇ和

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舱室内爆载荷特性研究

舱室内爆载荷特性研究


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舰船科学技术
第 42 卷
爆炸所产生的高温、高压产物无法及时向外扩散，导 致舱室内部温度升高，形成准静态气体压力。此时， 舰船舱室所承受的是冲击波载荷和准静态气体压力的 双重载荷作用。
1 舱室内部爆炸过程数值模拟
1.1 材料模型 数值模拟中所选取的材料模型类型和参数对其仿
真计算的结果有较大影响。为了准确地对舱室内部爆 炸舰船结构毁伤的动态响应进行数值模拟研究，考虑 到舰船的特殊性，有限元计算模型材料选为 907A、 921A 钢，采用 Cowper-Symonds 应变率强化模型。有 限元模型材料参数如表 1 所示。TNT 炸药采用高能密 度空气模拟，精度为 1 600 kg/m3，比内能为 4.19 GJ/m3。 根据朱锡等[1]《船舶结构毁伤力学》一书中对 921A 钢 各种力学性能的试验研究，907A 钢取应变率敏感性常 数为：D=6180，P=1.56。907A 钢取应变率敏感性常数 为：D=42306，P=2.116。
Abstract: Firstly, the ship model is selected and validated, and its model is simplified. The three-compartment finite element model in the middle of the ship is selected. The internal explosion process of the three-compartment model is simulated by nonlinear explicit dynamics software Dytran, and the Pressure, time and distance formulas are fitted by calculation, which are applied to the explosion as static load. The dynamic response of ship structure under internal explosion load is simulated by calculating the plate structure of the explosion chamber. Finally, the calculation results before and after simplification are compared and analyzed, and the feasibility of simplified calculation method of implosion load is judged by the calculation results of various parameters, which has important reference value for simplified calculation of explosion load in the future.
基于LS-DYNA矿用救生舱抗爆性能的仿真分析

基于LS-DYNA矿用救生舱抗爆性能的仿真分析

网格 划分 是进 行有 限元 分 析模 拟 至关 重要 的一
■
图 ４ 救生舱整体等效应力值
救 生舱 整体 位移 值
步， 它直接影响着后续数值计算分析结果的精确性。
本文对救生舱连接法兰和舱体面板均采用实体 单元 ，单节舱体的单元数量为 １３ ４ ３ ６ ，节点数量为
２ ５８ ３３ ，整体舱体单元数量为 １９ ５ ，节点数量为 ４ ４６
４０ ｍ。 ０ｍ 高 ９０ ｍ 本文利用 款功能齐全的几何非线性、材料非线性 以及摩擦和 节舱体宽 １２ｍ 长 ８０ ｍ， １０ｍ 。 ｒｅ． ０ 通过对救生舱 接触分离等界面状态非线性有限元分析程序 ，能够 ｐｏ４ 对救生舱建立三维几何模 型，
精确地模拟三维非弹性机构在高速碰撞、爆炸冲击
求解得出结果。
１ 救生舱三维模经验设计法和参数类 比法 ． 就 是通过大量的实体实验来发现问题 ，再对设计方案
图 １ 救 生舱 整体 模型
加以改进。 救生舱实体抗爆试验 ， 不仅需要消耗实际
舱 体材料 的成本 ．而且 需要 齐 全 的试 验设 施和 专业
于板的中心部位。 救生舱顶板最大等效应力位于顶板
达到 ３ ８ Ｐ ， ８Ｍ ａ未达到屈服应 在发生矿难时 。根据瓦斯爆炸冲击波在掘进巷 与法 兰连接的四角处 。 ６ ＭＰ ． 道传播的数值模拟分析 ，通常冲击载荷作用于救生 力 ４０ ａ最 大位 移 处位 于板 左半 部 和右半 部 的 中 舱侧面四周钢板和上顶部钢板 。其下底面钢板受到 心 部 位 。 法 兰 处 多 个 部 位 应 力 达 到 屈 服 应 力 ６ Ｍ ａ发生局部屈服。 屈服范围位于连接法兰外表 地面支撑约束。根据 国家对矿用救生舱抗 冲击载荷 ４０ Ｐ ． 范 该屈服 点部位 产生 了微量 的塑性变形 。 要求规定 ， 采用脉 冲载荷曲线如图 ３ 所示 ， 其最大冲 面 ， 围较浅 ， 击载荷为 ２ Ｐ ， Ｍ ａ载荷持续时间为 ７ ｓ ｍ。 门板处最大等效应力值位于门板的四角区域 ，达到 ９． Ｐ ， ３ Ｍ ａ门板最大位移处于门板 中央 ， ３ 达到 ９ ｍ 。 ． ｍ ８
密闭空间内爆炸冲击波传播规律及壁面爆炸载荷分布特性的数值仿真研究

密闭空间内爆炸冲击波传播规律及壁面爆炸载荷分布特性的数值仿真研究

密闭空间内爆炸冲击波传播规律及壁面爆炸载荷分布特性的数值仿真研究胡洋，康怀宇，禄宝荣(河北省矿井灾害防治重点实验室，华北科技学院，北京东燕郊101601) 摘要：本文以爆轰动力学、爆炸力学、结构动力学和爆炸力学计算方法等多个领域的理论为基础，选取典型密闭空间为研究对象，采用有限元方法，对密闭空间内冲击波传播规律及壁面爆炸载荷分布特性进行数值仿真研究。

研究成果揭示了密闭空间内冲击波流场的形成及波系的演变和冲击波叠加对壁面上爆炸载荷的影响。

关键词：内爆炸冲击波爆炸载荷密闭空间1.引言近年来随着世界各地恐怖事件的不断发生，国内外的大批学者们对建筑物内爆炸冲击波的传播机理以及对结构作用的爆炸载荷开展了大量的研究工作。

典型密闭空间内爆炸研究就是这些工作中很重要的一项，它主要针对的研究对象是城市中的大型商场、政府的行政机构大楼、大型地下停车场、地铁等[1][2]。

目前对于这类问题的研究大致有三种方法：理论计算、数值模拟和试验研究。

由于爆炸冲击波在密闭空间内发生正反射、斜反射甚至是马赫反射，并且伴随着反射波和入射波的叠加问题，因此密闭空间内爆炸流场十分复杂，很难建立一个准确的数学模型求得精确的解析解，因此数值模拟和试验的方法就得到了学者们广泛的应用。

通过调研了国内外大量密闭空间结构的资料[3－6]，确定了本文的计算模型，如图1 所示：图1 密闭空间结构计算模型该计算模型为长宽高分别为6m、3m、3m的长方体结构，壁面为0.15m厚的钢筋混凝土材料，计算药量为200gTNT炸药，装药位置在结构的几何中心，图1 中O点位置为任意一个观测点。

2.数值仿真算法及参数2.1 算法模型LS DYNA 程序具有Lagrange 、E uler 和ALE 算法[7]，在分析的问题中，很多情形涉及到流体的流动，同时也会涉及到高幅值的冲击波，对大变形材料采用拉格朗日型的有限元网格并非总是可行的，当结构周围环绕流体介质的单元基于拉格朗日型单元时，就会产生严重的变形，直接导致每次迭代计算时的时间步长变得很小，因此模型时间变得很长，而且由于计算网格的畸变，可能直接影响到计算精度甚至计算终止；欧拉型的有限元网格避免了网格畸变的问题，但是这种算法的网格数量过大，会占用很多的计算机资源； ALE 算法采 用了 Lagrange 和 Euler 两种算法执行自动重分区，当合适的网格变形时不进行重分区，而 当出现严重的网格变形时，将执行自动重分区恢复至初始状态，即 ALE 算法现执行一步或 者几步 Lagrange 计算，当单元网格随材料流动产生变形时执行 ALE 计算。

单层柱壳结构在爆炸荷载作用下的破坏模式和防护措施

单层柱壳结构在爆炸荷载作用下的破坏模式和防护措施

单层柱壳结构在爆炸荷载作用下的破坏模式和防护措施大空间钢结构具有造型美观和适应性强等优点，广泛应用于大型公共建筑物中。

但是该类建筑由于人员活动密集、标志性强，往往成为恐怖分子的袭击目标，造成重大的人员财产损失和恶劣的社会影响。

迄今为止，我国尚没有针对大跨空间钢结构如何进行抗爆设计的专门准则，尤其在大跨空间钢结构内爆炸破坏效应方面更加少见。

在内爆炸荷载作用下，结构除受到爆炸冲击波直接作用外，还受到地面和墙面等围护结构的反射冲击波及冲击波聚集效应作用，较外爆炸荷载作用下更加复杂。

本文结合日趋严重的反恐形势，选取一种较为常见的单层柱面网壳结构形式，对其在内爆炸荷载作用下的破坏模式和防护措施进行研究，主要研究方法和过程如下：（1）应用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对一个自由空爆模型进行了数值模拟实验，并将计算结果与经验公式计算结果相比较，证明材料参数选取的可靠性，为结构的内爆炸数值模拟提供可靠依据。

（2）采用验证后的材料参数，对一个单层柱面网壳结构进行了内爆炸数值模拟，试验现象和计算结果表明了模型建立及有关材料参数选取的可靠性。

（3）改变炸药的TNT当量、结构柱子的高度、结构的矢跨比、炸药爆炸点的位置、结构材料的失效应变等参数，研究了在不同情况下结构的破坏模式。

（4）结合贵州省福泉市马场坪收费站爆炸事件及第四章各种参数对结构破坏模式的影响，提出强结构弱围护的泄爆思路，建立模型进行验证，并将模拟结果与第四章不同情况下的模拟结果进行对比。

通过以上的模拟分析，得到如下结论：（1）随着炸药TNT当量的增加，结构破坏程度加剧；（2）降低结构的柱子高度有利于提高结构的抗爆承载能力；（3）结构矢跨比增大，结构位移响应增加，破坏范围增大；（4）炸药爆炸点位置越远离结构中心，破坏越严重，越不利抗爆；（5）提高结构材料的失效应变有利于提高结构的抗爆承载能力。

（6）加强主体结构，减弱围护结构有利于结构泄爆，是一种行之有效的抗爆防护措施。